ciclos de vapor

Tecnológico Mario molina campus el grullo

Ciclos de vapor  

Máquinas y equipos térmicos ii

Ing. Electromecánica séptimo semestre

Tarea

Alumno: Erick Alejandro Gómez Fregoso

Maestro: ing. José de Jesús Llamas Medina

02 de septiembre de 2017

Ciclos de vapor

Por experiencia se sabe que el trabajo se puede convertir en calor de forma directa y completamente, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos reciben el nombre de máquinas térmicas.

En resumen, las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero básicamente todas:

a. Reciben calor de alguna fuente a alta temperatura (reactor nuclear, energía solar, horno de petróleo, etc.)

b. Convierten parte de este calor en trabajo.

c. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etc.)

d. Operan en un ciclo. Parte del calor que recibe la máquina térmica se convierte en trabajo, mientras el resto es rechazado hacia un sumidero.

Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo general requieren de un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. A este fluido se le conoce como fluido de trabajo.

Ciclo de Rankine

Parte del calor que recibe la máquina térmica se convierte en trabajo, mientras el resto es rechazado hacia un sumidero. Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo general requieren de un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo.

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente 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 líquido (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 nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

El diagrama T-s de un ciclo Rankine: Está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.

Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

Ciclo de Hirn

El ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Esto lo vemos ilustrado en las siguiente figura.

 

Esquema bloques de ciclo de vapor de Hirn

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.

Ciclo de Carnot

El ciclo de motor térmico más eficiente es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de motor térmico más eficiente permitido por las leyes físicas. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar.

Con el fin de acercarse a la eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía.

En una máquina el ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son:

Expansión isoterma (1-2): al gas absorbe una cantidad de calor Q1 manteniéndose a la temperatura del foco caliente T1.

Expansión adiabática (2-3): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.

Compresión isoterma (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco frío, sin variar de temperatura.

Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.

Conclusiones:

En general los ciclos de vapor mencionados anteriormente son de suma importancia ya que los utilizamos todos los días, estos ciclos de vapor son los más utilizados en las termoeléctricas (plantas generadoras de electricidad) donde grandes calderas evaporan miles de litros de agua por minuto para después ser inyectados mediante una tubería a una turbina acoplada mecánicamente con un generador, en estos casos se busca disminuir las pérdidas de cualquier tipo de energía para aminorar costos, por lo que el vapor que sale de la turbina debe ser enfriado para que se consense y volverlo a inyectar a la caldera, cerrando así el ciclo de vapor. No solo los ciclos de vapor están presentes en las termoeléctricas sino también en calderas utilizadas para una infinidad de cosas, por ello es importante saber de qué se compone un ciclo de vapor y conocer los procesos por los que pasa el fluido de trabajo.

Bibliografías:

Yunus A. Cengel. Michael A Boles (2010) termodinámica. Ciclos de vapor. Editorial MC. Graw Hill Education.

MOLINA IGARTUA, L.A. & ALONSO GIRÓN, J.A., Calderas de Vapor en la Industria, CADEM. Ente Vasco de la Energía (EVE), Bilbao, 1996.

KIRILLIN, V. A. & SICHEV, V. V. & SHEINDLIN, A. E., Termodinámica Técnica, Mir, Moscú, 1976