INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA B IOTECNOLOGÍA Rebeca Garcés Romero
TERMODINÁMICA
Unidad 2. Primera Ley de la Termodinámica Actividad 3. Maquina trabajando
MAQUINA DE VAPOR
La Máquina de vapor, es un dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad.
El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se con
vierte en vapor
saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor. La turbina consta de unas toberas por las que se introduce el vapor, y sale expulsado a gran velocidad, este fenómeno hace que la turbina produzca un movimiento rotor, y esto hace que se mueva el eje de la hélice, bien acoplando directamente el eje a la turbina, o si tenemos más de una turbina, mediante reducciones llegaríamos a mover el eje de la hélice.
Ciclos de vapor Ciclo abierto: el típico ciclo sin condensación, propio de la máquina de vapor. Este fue
el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial). Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques. El ciclo opera mediante un depósito que contiene agua para la caldera (1). La bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión de la caldera). En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle, formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1. Luego el vapor (a presión) es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W.
El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100ºC.
Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye
sobrecalentamiento de vapor. El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble: Desde el punto de vista netamente termodinámico, bajamos la temperatura de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo. Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.
Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce la sobrecalefacción
de
vapor.
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. Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
A continuación se muestra un análisis cuantitativo de la máquina de vapor. Este concepto muestra como se acelera la máquina de vapor, que determina la velocidad del estado estacionario, y como la velocidad de salida cambia al producirse cambios en el momento de impulsión (presión de entrada) o en el momento de carga. La ecuación que describe la velocidad angular
w
se encuentra dada por:
Cuando el dispositivo comienza su movimiento ( w = 0), el momento de impulsión tiene un valor determinado exclusivamente
por
la presión del vapor M i (w = 0) = Mi(p,
0),
mientras que el momento de carga tiene
un
valor
que
llamaremos
M c(0).
La
aceleración angular al comienzo será
por
tanto constante, por lo que el cambio en
la
velocidad angular será lineal en el tiempo. Si los momentos de impulsión y carga fuesen independientes de la velocidad angular, entonces, este aumento de velocidad angular no se detendría nunca, y la máquina de vapor no alcanzaría ningún estado estacionario. Sin embargo, el momento de impulsión en general disminuye cuando aumenta la velocidad angular, y
el momento de carga, por el contrario, aumenta con la velocidad angular, por lo que se alcanza un momento en que ambas cantidades se igualan, y a partir de este momento, ocurre que:
Finalmente obtenemos la ecuación diferencial, escrita de forma simplificada
Integrando, obtenemos:
La máquina de vapor se aproxima a su nuevo valor estacionario para la velocidad angular de forma exponencial, con una constante temporal
t 0 que
es el tiempo
característico definido antes, y que es el tiempo de respuesta de la máquina de vapor a un cambio en las condiciones de funcionamiento.
Este
tiempo
es
proporcional al momento de inercia del volante al que se aplican los momentos de impulsión y de carga, e inversamente proporcional al término lineal en la expansión del momento de carga respecto a la frecuencia angular alrededor del valor de la frecuencia angular estacionaria del estado inicial. Es claro por qué interesan volantes con valores altos para el momento de inercia. En este caso, fluctuaciones rápidas en los valores de la presión de vapor o momento de carga respecto al valor del tiempo propio no afectaran al funcionamiento de la maquina, que tendrá un comportamiento estable frente a estas oscilaciones muy rápidas.
Bibliografía:
http://laboratoriodefisicoquimica.files.wordpress.com/2009/03/maquinas-de-vapor.pdf
http://www.ojocientifico.com/2010/12/21/%C2%BFcomo-funcionan-las-maquinas-de-vapor
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_rankine. html
http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm
http://www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/modulos/ciclos/clases/Rankine.pdf
http://fis.cie.uma.es/old/docencia/2002-03/A109/tema2/tema2312.html
