CICLOS DE VAPOR UNIDAD 1
MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS II PROFR: Juan Fernando Cauich Hernández
José Ismael Torres Ontiveros 21 de Junio del 2017
Contenido INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 2 1.1
CICLOS RANKINE ........................................................................................................... 3
1.2
CICLO DE HIRN ............................................................................................................... 5
1.3
CICLO CARNOT ............................................................................................................... 6
1.4
EFICIENCIA. ..................................................................................................................... 9
REFERENCIAS. ............................................................................................................................. 12
INTRODUCCIÓN Este capítulo trata sobre los ciclos usados en plantas de potencia con vapor en las que el fluido de trabajo es alternativamente vaporizado y condensado. La mayoría de centrales generadoras de electricidad son variaciones de ciclos de potencia de vapor en los que el agua es el fluido de trabajo. Se muestra esquemáticamente los componentes básicos de una central térmica de vapor simplificada. Para facilitar su análisis, la planta global puede descomponerse en cuatro subsistemas principales identificados con las letras A, B, C y D en el diagrama. El objetivo de nuestro estudio en este capítulo es el subsistema A, donde tiene lugar la conversión del calor en trabajo. Pero antes comentaremos brevemente los otros
subsistemas.
El
subsistema B, proporciona la energía
necesaria
para
vaporizar el agua que pasa a través de la caldera. En las centrales térmicas, esto se consigue
mediante
la
transferencia de calor al fluido de trabajo que pasa por las superficies de intercambio de la caldera,
desde
los
gases
calientes producidos por la combustión de un combustible
Ilustración 1-Componentes de una central t érmica.
fósil (petróleo, carbón, etc.). Las centrales solares tienen receptores que recogen y conc entran la radiación solar para vaporizar el fluido de trabajo.
1.1 CICLOS RANKINE El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el retraimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahnrros en los requerimientos del combustible. El ciclo Rankine es una modificación del ciclb Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigieron los problemas que este produce, entre estas modificaciones están:
Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor humedo expandido en la turbina se coxlense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presión de la salida de la turbina.
Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eeva isoentrópicamente la presión del Iquido que sale del hasta la presión deseada para el proceso 2-3.
Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta temperatura que es con frecuencia exterior a la temperatura crítica.
Ilustración 2- Diagramas del ciclo de Rankine
El sistema que funciona según este ciclo consta de una caldera, donde el agua (que es el fluido más conveniente por ser abundante y barato) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3'.
Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3 pasa a través del sobrecaentador recibierxft) energía, imrementado la temperatura del vapor a presión constante hasta el estado 3 (vapor sobrecalentado). Luego hay una máquina de expansión ( turbina) dorKie el vapor Se expande producierxft) trabajo, saliendo en el estado 4.
Efectos de la presión y temeperatura en el ciclo rankine
La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potemia es la misma; aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo de la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el cabr se rechaza del fluido de trabajo en el condensador.
El ciclo Rankine tiene lugar en alternativamente es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado liquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevarnente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Ilustración 3-Diagrama T-s del ciclo de rankine con presión sobrecalentada.
1.2 CICLO DE HIRN El ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento, el cual se ilustra en la ilustración 3. Cuyo funcionamiento se describe a continuación: 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 (5’) y luego se inicia la ebullición del
líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con
Ilustración 4-Componentes ciclo Hirm
un título muy cercano a 1) y luego se le aplica un sobrecalentamiento. Este sistema conjunto de caldera y sobrecalentador se conoce como generador de vapor . 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 enfriados 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. En el diagrama T-S, el ciclo Hirn se describe
como
sigue:
El
vapor
está
inicialmente con título 1, como vapor saturado (1), luego se sobrecalienta en el proceso (1)(2)el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (2)-(3). Esta evolución es, en principio, isentrópica. A la salida de la turbina el vapor tendrá título
Ilustración 5-Diagrama T-s ciclo de Hirm
inferior a 1, pero saldrá mucho más seco que en el ciclo de Rankine. Incluso puede salir como vapor sobrecalentado. Luego es condensado totalmente a temperatura y presión constantes, evolución (3)-(4). Sale del condensador en el estado (4) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la bomba,evolución (4)-(5), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. En el estado (5) el líquido está como líquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso (5)(2)ocurre dentro del generador de vapor. 1.3 CICLO CARNOT
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
Ilustración 6-Diagrama de p-v, ciclo de Carnot
En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: • La presión, volumen de cada uno de los vértices. • El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. • El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.
Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.
Las etapas del ciclo Para obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadro-resumen de las transformaciones termodinámicas. 1. Transformación A-*B (isoterma) La presión Pb se calcula a partir de la ecuación del gas ideal Variación de la energía interna Trabajo: Calor: 2. Transformación B-> C Adiabática
3. Transformación C -> D isotermia
4. Transformación D -> A, adiabática
Motor y frogorífico.
Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco caliente a la temperatura Tl, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T 2. En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.
Ilustración 7-Esquema motor de Carnot
La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del
foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica pr oduce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera. 1.4 EFICIENCIA. Se define la eficiencia térmica así como el coeficiente de funcionamiento (coeficient ofperformance, cop) como una medida del desempeño de los dispositivos. Ya que estos son definidos con base en la primera ley se conocen como eficiencias por primera ley n1 Sin embargo esta eficiencia no hace referencia al máximo desempeño posible. Como ejemplo considere dos máquinas térmicas, ambas con La eficiencia Térmica:
del 30%, pero la máquina térmica A opera con una fuente a 600 K, mientras que la B opera a 1000 K y ambas ocupan la temperatura atmosférica para desechar calor a 300 K. A primera vista ambas convierten la misma fracción de calor en trabajo. Sin embargo, observemos que
Ahora es evidente que la máquina térmica B tiene un potencial de trabajo más grande que la máquina A. Es decir que la máquina B se desempeña pobremente ante la máquina, aun cuando ambas tienen la misma eficiencia térmica.
Con base en esta definición, las eficiencias por segunda ley de los dos sistemas anteriores están dados por:
Esto es, la máquina térmica A convierte 60% del potencial del trabajo disponible en trabajo útil. Esta proporción es de sólo el43% para la máquina térmica B . La eficiencia de segunda ley también puede expresarse como la relación entre el trabajo útil y la salida de trabajo máximo posible (reversible), tal que
para dispositivos productores de trabajo. Esta última definición es más general porque puede aplicarse tanto a procesos (como turbinas) como a ciclos. Es importante notar que la eficiencia por segunda ley esta comprendida entre los valores O y I, es decir no puede exceder el 100%. También es posible definir una eficiencia para dispositivos no cíclicos (como compresores) y cíclicos (como refrigeradores o bombas de calor), que trabajan con la entrada de trabajo, así podemos escribir
Para dispositivos cíclicos como refrigeradores y bombas de calor podemos expresar la eficiencia por segunda ley como
Las definiciones anteriores para la eficiencia por segunda ley no se aplican a dispositivos que no están destinados a producir o consumir trabajo. Por tanto es necesaria una definición más general. Sin embargo no hay un acuerdo en una definición general de eficiencia por segunda ley, por lo que se pueden encontrar diferentes definiciones para el mismo dispositivo. La eficiencia por segunda ley está ideada para servir como medida de aproximación a la operación reversible, por ello su valor debe cambiar de cero en el peor de los casos (destrucción completa de exergía) a la unidad en el mejor de los casos (sin destrucción de exergía), así podemos definir:
REFERENCIAS.
Boles, MICHAEL, & Cengel Y (2002). Termodinámica.
México, Mc Graw Hill
Consultado el día 21 de Junio del 2017.
D Cengel YAB, D Cengel MAYA, Boles, & Cimbala JM, (2012) Termodinámica (No. 536) McGraw Hill Consultado el día 21 de Junio del 2017.
Gilardi J, (1985) Motores de combustión interna. Agroamerica Consultado el día 21 de Junio del 2017.
