Ciclos de Vapor Ciclo Rankine
Un ciclo Rankine es un ciclo termodinámico, el cual tiene como objetivo principal el convertir calor en trabajo.
Funcionamiento del Ciclo Rankine
El cicl ciclo o Rank Rankin ine e oper opera a con con vapor por, y es el uti utiliza lizad do en las las centr entral ales es termoeléctricas. Consiste en calentar aua en una caldera !asta evaporarla y elevar la presi"n del vapor, #ue se !ace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presi"n produciendo ener$a cinética. %rosiue el ciclo !acia un condensador donde el &luido se lic'a, para posteriormente introducirlo en una bomba #ue de nuevo aumentará la presi"n, y ser de nuevo introducido en la caldera. (a representaci"n en diarama p)V de ciclos en los #ue el &luido se vaporiza, presentan una di&erencia con respecto a los ciclos de as, ya #ue aparece una campana, llamada de cambio de &ase.
Fiura*.* +ra&ica del Ciclo Rankine
la iz#uierda corresponde al estado l$#uido, en el #ue prácticamente no !ay modi&icaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presi"n. %or ello las isotermas son prácticamente verticales. la derec!a corresponde al estado vapor, a#u$ el &luido se comporta como un as, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los ases ideales. -entro de la campana, el &luido se está evaporando, y las isotermas son !orizontales. Esto es as$ por#ué dada una presi"n, el calor #ue se le aporta al &luido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporaci"n.
Rendimiento del Ciclo Rankine
El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo #ue el ciclo de Carnot, aun#ue no alcanza valores tan elevados.
ntecedentes
El ciclo de Rankine es en el #ue se basaban las antiuas má#uinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble e&ecto con un componente desplazable llamado corredera #ue diri$a el vapor a un lado u otro del pist"n.
Fi*. Es#uema de /a#uina de Vapor ntiua.
Ciclos de Vapor Ciclo de Carnot
0e de&ine ciclo de Carnot como un proceso c$clico reversible #ue utiliza un as per&ecto, y #ue consta de dos trans&ormaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la &iura .*
Etapas del Ciclo Carnot
1rans&ormaci"n )2 3 . 1rans&ormaci"n 3 )2 C 4. 1rans&ormaci"n C )2 5. 1rans&ormaci"n - )2 1.
Isoterma Adiabática Isoterma Adiabática
Etapas del Ciclo Carnot Completo
*. . 4. 5.
Variaci"n de Ener$a 6nterna 1rabajo Calor Rendimiento
/otor Carnot y Frior$&ico
Un motor de Carnot es un dispositivo ideal #ue describe un ciclo de Carnot. 1rabaja entre dos &ocos, tomando calor 7* del &oco caliente a la temperatura 1*, produciendo un trabajo 8, y cediendo un calor 7 al &oco &r$o a la temperatura 1. En un motor real, el &oco caliente está representado por la caldera de vapor #ue suministra el calor, el sistema cilindro)émbolo produce el trabajo y se cede calor al &oco &r$o #ue es la atm"s&era.
(a má#uina de Carnot también puede &uncionar en sentido inverso, denominándose entonces &rior$&ico. 0e e9traer$a calor 7 del &oco &r$o aplicando un trabajo 8, y ceder$a 7* al &oco caliente. En un &rior$&ico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo #ue se emplea en e9traer un calor del &oco &r$o :la cavidad del &rior$&ico; y se cede calor al &oco caliente, #ue es la atm"s&era.
Ciclos de Vapor Ciclo de
1al como se muestra en la Fiura 4.*.
Funcionamiento
(a bomba recolecta condensado a baja presi"n y temperatura. 1$picamente una presi"n menor a la atmos&érica, estado :5; y comprime el aua !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, alcanzando la saturaci"n y lueo se inicia la ebullici"n del l$#uido. En :*; se e9trae el vapor de la caldera :con un t$tulo muy cercano a *; y lueo se conduce el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor :similar a un serpent$n; al #ue se le entrea calor a alta temperatura. %or lo tanto el vapor se calienta :aumentando su temperatura; !asta salir como vapor sobrecalentado en el estado :;. El vapor #ue sale del sobrecalentador se lleva al e9pansor o turbina. ll$ se e9pande, recuperando trabajo, en la turbina, !asta la presi"n asociada a la temperatura de condensaci"n :4;. El vapor #ue descara la má#uina entra al condensador donde se convierte en aua al entrar en contacto con las paredes de tubos #ue están re&rierados en su interior :t$picamente por aua;. El condensado se
recolecta al &ondo del condensador, donde se e9trae :5; prácticamente como l$#uido saturado. ll$ la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
nálisis por -iarama %)V
En
diarama p-V,
el
ciclo
se
describe como siue :los puntos termodinámicos
están
indicados
con pe#ue>as cruces, cerca del n'mero correspondiente;? En :1; la caldera
entrea
vapor saturado :por lo tanto con t$tulo 9@*;. (ueo se tiene
el
proceso :1;):2; en #ue el vapor se sobrecalentado a presi"n constante. 0ale en el estado :2; y all$ entra a la turbina. ll$ el vapor se e9pande entre la presi"n de la caldera y la presi"n del condensador Aproceso :2;):3;B, produciendo el trabajo W. (a turbina descara el vapor en el estado : 3;. Este es vapor con t$tulo 9*, pero más seco #ue en el ciclo de Rankine, es admitido al condensador . #u$ se condensa a presi"n y temperatura constante, evoluci"n :3;):4;, y del condensador se e9trae líquido condensado con t$tulo 9@D, en el estado : 4;. (ueo la bomba aumenta la presi"n del condensado de pcond a pcald , evoluci"n :4;):5; y reinyecta el condensado en la caldera.
nálisis por -iarama 1)0
En
diarama T-S el
ciclo Hirn se
describe como siue? El vapor está inicialmente con t$tulo *, como vapor
saturado
:1;,
lueo
se
sobrecalienta en el proceso :1;) :2;el
vapor
la turbina,
se
e9pande
enerando
en
trabajo,
evoluci"n :2;):3;. Esta evoluci"n es, en principio, isentr"pica. la salida de la turbina el vapor tendrá t$tulo in&erior a *, pero saldrá muc!o más seco #ue en el ciclo de Rankine. 6ncluso nada impide #ue el vapor saliera como vapor sobrecalentado. El vapor #ue descara la turbina es admitido al condensador , donde condensa totalmente a temperatura y presi"n constantes, evoluci"n : 3;):4;. 0ale del condensador en el estado : 4; como l$#uido saturado :t$tulo 9@D;. !ora el condensado es comprimido por la bomba, evoluci"n :4;):5;, aumentando su presi"n !asta la presi"n de la caldera. En el estado : 5; el l$#uido está como l$#uido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entrop$a, !asta alcanzar la saturaci"n. ll$ comienza la ebullici"n. 1odo el proceso : 5;):1; ocurre dentro de la caldera. 6nclu$mos el punto 5 #ue es cuando se alcanza la saturaci"n, pero solo para e&ectos ilustrativos.
-iarama 1)0 de ciclo de vapor de
Comparemos este ciclo de Hirn con su !iclo de !arnot !orrespondiente :las dos isotérmicas y dos isentr"picas #ue lo inscriben;. Este ciclo tendrá como temperatura in&erior :de &uente &r$a; la temperatura del condensador :normalmente lieramente superior a la ambiente; y como superior :de &uente caliente; la de la caldera : Tllama;. (as áreas en verde indican la pérdida #ue !ay con respecto al potencial. En este caso vemos #ue e9iste una importante irreversibilidad con respecto al Ciclo de Carnot correspondiente :más #ue en el ciclo de Rankine;. 0in embaro, para las mismas presiones de caldera y condensador :lo #ue sini&ica iual temperatura de ebullici"n y condensaci"n;, es mejor el rendimiento de un ciclo de Hirn #ue el de un ciclo Rankine.
Ciclos de Vapor E&iciencia El rendimiento térmico o e&iciencia de una má#uina térmica es un coe&iciente o ratio adimensional calculado como el cociente de la ener$a producida :en un ciclo de &uncionamiento; y la ener$a suministrada a la má#uina :para #ue lore completar el ciclo termodinámico;. 0e desina con la letra riea ter?
-ependiendo del tipo de má#uina térmica, la trans&erencia de estas ener$as se realizará en &orma de calor, 7, o de trabajo, 8.
rien
En *G5, el &$sico &rancés 0adi Carnot deriv" la e&iciencia térmica para una má#uina térmica ideal como una &unci"n de la temperatura de sus &ocos &r$o y caliente?
Calculo de rendimiento para un /otor 1érmico •
El motor térmico recibe un calor, "c, de un &oco o &uente caliente, e&ect'a un trabajo, 8, y debe ceder calor, "# , a un &oco &r$o. %ara #ue la ener$a se conserve debe cumplirse #ue "c $ W % "# . El rendimiento es por lo tanto?
