TERMODINAMICA -CAPITULO 4

TERMODINÁMICA Ing. Federico G. Salazar

ÍNDICE

MODULO IV CICLOS TERMODINÁMICOS

1, SINERGÍA 3, CICLOS TERMODINÁMICOS 4, CICLOS EN FASE GASEOSA 20, CICLOS CON CONDENSACIÓN DE FASES

32, GUÍA DE ESTUDIO 38, GLOSARIO DE TÉRMINOS 42, REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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TERMODINÁMICA Ing. Federico G. Salazar

Sinergia Este es un efecto termodinámico que podríamos llamar del uno más uno mayor que dos. Lo ejemplificamos a continuación.

Ilustración. Supóngase dos sistemas: una bodega muy espaciosa del tamaño de un campo de fútbol y a la par un predio del tamaño de la mitad de una cancha de tenis Figura No. 1. Partes de un automóvil El primer sistema contiene muchas piezas diferentes, todas perfectamente ordenadas y clasificadas por tipos y tamaños: tornillos, tuercas, neumáticos, bujías, aros, serpentines, cables, relojes, vidrios, llantas, y otras diez mil y una piezas Fuente: DirveWire más. Existe un orden en el; su entropía es baja y su exergía alta en el sentido que podríamos hacer muchas cosas con tanta pieza.

El segundo sistema posee un dispositivo que contiene las mismas piezas que la bodega vecina. La diferencia está en que aquí esas piezas no Figura No. 2. Automóvil armado están clasificadas por tipos y tamaños sino que se encuentran relacionadas todas entre sí: las llantas unidas a los aros y estos a los ejes de dirección y transmisión; y éstos a su vez a la caja de engranajes; y ésta unida a un cigüeñal conectado al motor; etc. Todas las piezas Fuente: DirveWire están ordenas e interrelacionadas entre sí de tal forma que integran un vehículo. Este sistema si está inmóvil tiene baja entropía pero su potencial de trabajo y disponibilidad de exergía altísimo.

Podemos concluir que el segundo sistema tiene una alta sinergia en comparación del segundo. Las diez mil y más piezas ordenadas no aleatoriamente suman más que las del primer sistema.

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CICLOS TERMODINÁMICOS. Son arreglos ordenados e interrelacionados de equipos y dispositivos que sirven para, a través de intercambio, transformación y procesamiento de energía, obtener algún beneficio neto.

Básicamente existen dos tipos de ciclos: los ciclos positivos en donde se extrae un trabajo útil a costa del manejo de calor transferido a un fluido de trabajo; y los ciclos inversos o de refrigeración que requieren de un trabajo efectivo para extraer calor de una región fría o de baja contenido de energía.

Figura No. 3. Esquema de ciclo positivo e inverso

En otro aspecto, existen ciclos que trabajan en una sola fase gaseosa y otros que trabajan en fase líquida y vapor combinadas, aprovechando el manejo de los calores latentes y sensibles, que juegan un papel preponderante en la eficiencia del ciclo.

Para el primer caso existen los ciclos Brayton o Joule, Diesel, Otto, Stirling y Ericksson, principalmente. Del segundo tipo, con manejo de dos fases está el ciclo Rankine o Planta de Vapor. Los ciclos inversos de refrigeración y bombas de calor también operan en dos fases.

Ciclo de Carnot La máquina de Carnot descrita en el módulo anterior, es un ejemplo de ciclo termodinámico. Se trata en realidad del ciclo termodinámico por excelencia, que fundamenta la teoría sobre la segunda ley. Es, sin embargo, un planteamiento teórico que no puede ser llevado a la práctica sencillamente, pero que sirve de base para la operación del ciclo Rankine, como una aplicación práctica. Se presenta en un diagrama el ciclo Carnot para un fluido que cambia de fases.

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Figura No.4. Diagramas del Ciclo Carnot con cambios de fases

En ambos diagramas, el área dentro de la curva corresponde al trabajo neto aprovechable del ciclo, incluyendo la transferencia de calor latente por cambios de fase. Se sugiere comparar este ciclo con el presentado en el modulo anterior en fase gaseosa únicamente.

En la gráfica PV, el área bajo la curva de la trayectoria 4-1-2 es el trabajo de expansión y el de la trayectoria 2-3-4 es el trabajo de compresión, siendo la sustracción de ambas áreas eal trabajo útil.

En la gráfica TS el área bajo la curva de la trayectoria 4-1 es el calor alto que recibe el ciclo y el área bajo la trayectoria 2-3 corresponde al calor bajo o rechazado al ambiente, de tal forma que la sustracción de ambas áreas equivale al calor que aprovecha el ciclo y que transforma en trabajo útil.

La eficiencia de Carnot se demostró que corresponde a T η = 1− B TA CICLOS EN FASE GASEOSA Tal como se mencionó antes, estos ciclos operan en una sola fase gaseosa, generalmente aire, mezcla de aire y combustibles o gases de combustión. Existen diversos arreglos de equipos que permiten el funcionamiento de ciclos diferentes, combinando etapas isotérmicas, isométricas, isobáricas y adiabáticas, que en todo caso pretenden mejorar el ciclo teórico de Carnot buscando la eficiencia mayor. Se describen a continuación algunos de ellos.

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1. Ciclo Joule o Brayton Figura No. 5. Ciclo Joule Brayton

Este es un ciclo que en principio intenta reproducir el ciclo de Carnot, con la diferencia de que las etapas isotérmicas son ahora reemplazadas por las correspondientes etapas isobáricas. El fluido de trabajo, que puede ser un gas puro o una mezcla combustible.

En la primera etapa se comprime adiabáticamente el fluido de trabajo. El trabajo requerido es WC = Cp(T2 – T1).

Fuente: Borrell, Guillem et al.

En la segunda etapa ocurre una adición de calor en un intercambiador a presión constante, con una consecuente expansión. El calor podría provenir de un proceso de combustión. En este caso, QA = Cp(T3 – T2).

Figura No. 6. Componentes del Ciclo Brayton

Luego, en la tercera etapa el fluido se expande en una turbina adiabática. El trabajo de salida es WT = -Cp(T3 – T4).

En la última etapa ocurre un enfriamiento a presión constante y compresión asociada, con liberación de calor QB = -Cp(T1 – T4).

Fuente: Eastop & Conkey

La eficiencia define como

η = 1−

del

ciclo

se

T4 − T1 1 = 1 − γ −1 T3 − T2 r γ P

en donde rP = relación de presiones de compresión = P2/P1. La segunda expresión para la eficiencia se obtiene al sustituir los valores de las temperaturas por el de las presiones correspondientes, incorporando la ecuación adiabática de relación de estados y rP.

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Se utiliza también el concepto de relación de trabajo como el cociente del trabajo neto con respecto al trabajo de turbina, que también se puede expresar en términos de la relación de presiones de compresión

WT − WC T γ −1 = 1 − 1 rP γ WT T2 que nos da una relación de eficiencia.

WR =

2. Ciclo Otto Figura No. 7. Ciclo Otto

Este es un ciclo corresponde al ciclo de aire estándar para las maquinas de combustión por petróleo y motores de gas. El ciclo ideal consta de cuatro etapas efectivas, y se utiliza un gas puro o una mezcla combustible.

En la primera etapa se comprime isentrópicamente el fluido de trabajo en un cilindro. El trabajo requerido en esta etapa es W1 = Cp(T2 – T1).

La segunda etapa es un calentamiento Fuente: Wikipedia reversible a volumen constante y una consecuente expansión. El calor podría provenir de un proceso de combustión. En este caso, QA = Cp(T3 – T2).

En la tercera etapa el fluido se expande en un cilindro isentrópico. El trabajo de salida es W2 = -Cp(T4 – T3).

La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo calor libera-do es QB = -CV(T1 – T4).

Se define la relación de compresión (carrera del pistón) como rV = V1/V2 La eficiencia del ciclo es T −T 1 η = 1 − 4 1 = 1 − γ −1 T3 − T2 rV La segunda expresión se obtiene al sustituir temperaturas por presiones, más la ecuación adiabática de relación de estados y rV.

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3. Ciclo Diesel Figura No. 8. Ciclo Diesel

Este ciclo corresponde al desarrollo de una maquina cuya ignición espontanea por compresión del polvo de coque mezclado con aire se realizaba dentro de un cilindro, posteriormente modificado para utilizar petróleo como combustible.

El ciclo ideal consta de cuatro etapas efectivas y su característica propia es que la mezcla combustible arde espontáneamente al alcanzar la temperatura de ignición por efecto de la compresión a alta presión en un cilindro de carrera larga.

En la primera etapa se comprime isentrópicamente el fluido de trabajo. El trabajo requerido es W1 = R (T2 – T1)/(1 - γ).

Fuente: HowStuffWorks

La segunda etapa es un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente expansión. El calor proviene de una combustión espontanea. En este caso, QA = Cp(T3 – T2).

En la tercera etapa el fluido se expande en el cilindro isentrópico, correspondiendo el trabajo de salida igual a W2 = - R (T4 – T3)/(1 - γ).

La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo calor libera-do es QB = -CV(T1 – T4).

La eficiencia del ciclo se define como  1  T −T β γ −1 η = 1 −   4 1 = 1 − (β − 1)(rV )γ −1 γ  γ  T3 − T2

en donde

rV = relación de compresión = V1 / V2. β = relación de calentamiento (cut-off) = V3 / V2

La segunda expresión para la eficiencia se obtiene al sustituir los valores de las temperaturas por las presiones correspondientes, incorporando la ecuación adiabática de relación de estados, rV y β.

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4. Ciclo Stirling

Figura No. 9. Ciclo Stirling

Este es un ciclo cerrado que contiene un fluido de trabajo que puede ser aire, hidrogeno o helio. Por tratarse de una maquina sellada no requiere de válvulas ni sellos, sino solamente el los sistemas de intercambio de calor.

Trabaja en base a cuatro etapas consistentes en enfriamiento, compresión, calentamiento y expansión. Por el diseño en el movimiento de sus pistones se producen expansiones y compresiones alternativas del gas. El calor externo se provee de una fuente, que puede ser un quemador.

Fuente: heat2power

La primera etapa es una compresión isotérmica del fluido de trabajo con liberación de calor. El trabajo requerido es W1 = RT1 ln(P1/P2).

La segunda etapa es un calentamiento reversible a volumen constante.

El calor requerido es QA = Cv(T3 – T2).

Figura No. 10. Etapas del Ciclo Stirling

1

2

4

3

Fuente: Answers.com

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En la tercera etapa el fluido se expande isotérmicamente, a temperatura constante por adición de calor. El trabajo de salida es W2 = RT3 ln(P3/P4).

La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo ca-lor liberado es QB = CV(T1 – T4) La eficiencia teórica del ciclo es equivalente a la de

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Carnot, aunque por irreversibilidades no se consigue tan alta respuesta.

Dado que Q2A es igual en magnitud que Q2B y con signos opuestos, en la práctica se puede hacer una transferencia interna de estos calores (llamado proceso de regeneración), anulándose entonces para el calculo de la eficiencia del ciclo. Se puede demostrarse fácilmente que

η=

W34 Q A − QB Q T = = 1− B = 1− B QA QA QA TA

5. Ciclo Ericsson

Figura No. 11. Ciclo Ericsson

Este inventor diseñó una máquina basada en la combinación de varios ciclos termodinámicos. La primera versión era similar al ciclo Brayton, que utiliza una combustión externa. La segunda versión es la conocida actualmente con el nombre de este ciclo.

En la primera etapa el aire se comprime isotérmicamente. Se Fuente: answers.com requiere entonces de un enfriamiento simultáneo y el aire fruye a un tanque de almacenamiento a presión constante. El trabajo requerido es W1 = RT1 ln(P1/P2).

La segunda etapa es un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente expansión. El aire caliente fluye del tanque a presión elevada constante hacia el cilindro de potencia. En este caso el calor requerido es Q2A = Cp(T3 – T2).

En la tercera etapa el aire se expande en el cilindro isotérmicamente, recibiendo calor externo. El trabajo de salida igual a W2 = -RT3 ln(P3/P4).

La última etapa es un enfriamiento reversible a presión baja constante, y el calor liberado es Q2B = Cp(T1 – T4) = - Cp(T3 – T2).

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Teniendo presente que los calores Q2A y Q2B son iguales en magnitud, pero de signo opuesto, en la práctica se compensan por medio de un proceso de regeneración. Lo mismo ocurre con los trabajos realizados en as etapas isotérmicas que de igual magnitud pero signo contrario, anulándose como efecto neto. La eficiencia teórica del ciclo equivale a la de Carnot W Q − QB Q T = 1− B = 1− B η = 34 = A QA QA QA TA

Como puede comprobarse en las ilustraciones que están más adelante, inclusión de la regeneración en el funcionamiento de un ciclo es fundamental para conseguir una mayor eficiencia de operación. Lo anterior es cierto tanto para el ciclo Ericsson como para el Stirling. En el caso ideal, se consigue la eficiencia de Carnot.

El ciclo Stirling haya aplicación práctica en ciclos de cogeneración, bombeo de agua, astronáutica y generación eléctrica de fuentes abundantes de energía (solar y biomasa de residuos agrícolas y domésticos) que son incompatibles con el motor de combustión interna.

También es utilizado como motor de submarinos. Sin embargo, por su precio no es competitivo con los motores de combustión (Wikipedia).

Por otra parte, el ciclo Ericsson no tiene aplicación práctica en motores de combustión con pistones, pero es utilizado en las turbinas de gas con varias etapas que utilizan intercambiadores de calor.

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Figura No. 12a. Diagrama termodinรกmico del Ciclo Joule

Figura No. 12b. Ciclo Otto

Figura No. 12c. Ciclo Diesel

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Figura No. 12e. Diagrama termodinámico del Ciclo Stirling

Figura No. 12f. Ciclo Ericsson

Fuente propia

Se ilustra a continuación el funcionamiento ideal de los cinco ciclos gaseosos, utilizando equivalentes temperaturas y presiones, para evaluar y comparar la eficiencia en cada caso.

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Se ilustra el funcionamiento del ciclo Brayton Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Brayton opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.

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Se ilustra el funcionamiento del ciclo Otto Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Otto opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.

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Se ilustra el funcionamiento del ciclo Diesel Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Diesel opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.

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Se ilustra luego el funcionamiento del ciclo Stirling Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Stirling opera entre las temperaturas de 800ºK y 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.

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Se ilustra el funcionamiento del ciclo Ericsson.

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Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Ericsson opera entre las temperaturas de 800ºK y 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.

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CICLOS CON CONDENSACIÓN DE FASES LIQUIDO VAPOR En los equipos vistos anteriormente, el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo. A diferencia, los ciclos de potencia operan de tal forma que el fluido de trabajo se vaporiza y condensa en forma alterna. Cuando además se hace un calentamiento externo se le llama cogeneración.

Los ciclos de potencia se analizan en su operación ideal y se comparan con aquellos en donde se introducen irreversibilidades en la operación de sus componentes. Además, se estudian aquellos ciclos a los que se le introducen modificaciones para aumentar su eficiencia; estas modificaciones incluyen el proceso de recalentamiento y regeneración en los ciclos de potencia positivos.

Finalmente, se analizan los ciclos de potencia negativos, aplicables a los sistemas de refrigeración y bombas de calor.

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1. Ciclo Rankine Ideal

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Figura No. 13. Maquina Rankine

Es el ciclo de potencia por excelencia, busca repetir la operación del ciclo Carnot en la región de condensación de fases. Generalmente el fluido de trabajo es el agua, utilizándose vapor sobresaturado a alta presión para impulsar los álabes de la turbina y obtener trabajo de eje útil.

Complementan el ciclo la caldera, la bomba y un condensador.

Se completa en cuatro etapas, y en la Fuente: Cyclone Power Technologies primera se lleva agua fría a la caldera, desde el condensador. Es una etapa considerada isométrica, teniendo presente la condición del agua como fluido incompresible, en donde recibe energía en forma de trabajo que lo impulsa. Este trabajo se aproxima a la expresión WB = V1(P2 – P1).

La segunda etapa se realiza en la caldera, en donde recibe energía en forma de calor, obteniéndose vapor con alto nivel de energía, que se lleva a la turbina. El calor adicionado se evalúa en Figura No. 14. Componentes del Ciclo términos de las condiciones Rankine Ideal del vapor de salida y el agua de entrada, QA = H3 – H2 La tercera etapa sirve para extraer energía al fluido transformándolo en trabajo útil en la turbina. Se evalúa en términos de las condiciones a la salida, generalmente vapor saturado con algún contenido de agua liquida y del vapor sobresaturado a la entrada, Fuente propia WT = H4 – H3 En la cuarta etapa se hace pasar la mezcla liquido-vapor en el condensador llevándolo a liquido saturado, y extrayendo calor que se lleva a los alrededores del sistema, el cual corresponde a QB = H4 – H1

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Figura No. 15. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine Ideal

Fuente propia

La eficiencia térmica del ciclo es

η=

Wneto Q = 1− B Q QA

Se incluye una ilustración sobre este ciclo.

Ilustración. Se utiliza agua como fluido de trabajo en un ciclo ideal de Rankine. Vapor saturado entra a la turbina a 8.0 MPa y sale como líquido saturado del condensador a una presión de 0.008 MPa. La potencia de salida neta del ciclo es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la relación de trabajo; c) la razón de flujo de masa de vapor; d) la razón de transferencia de calor en el ebullidor; e) la razón de transferencia de calor en el condensador; f) la razón de flujo de masa de agua de enfriamiento en el condensador si entra a 15°C y sale a 35°C

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2. Ciclo Rankine no Ideal Para el primer caso asumimos idealidad en los equipos del ciclo. Es decir, operación isentrópica tanto de la turbina como de la bomba y transferencia de calor isobárica en la caldera y condensador. En la práctica se producen irreversibilidades en el funcionamiento de los equipos que conduce a recalentamientos acompañados de liberación de calor y perdidas de presión especialmente en los intercambiadores de calor. Todo ello se traduce en una perdida de eficiencia del ciclo.

En este sentido, se extraerá menor cantidad de trabajo en la turbina y se consumirá mayor trabajo en la bomba. Para lograr los mismos resultados será necesario agregar mayor cantidad de calor en la caldera a fin de compensar esas perdidas.

Por otra parte, si los intercambiadores pierden presión por perdidas de calor y fricciones al fluir, incidirá por su parte en la adición de energía adicional.

Se muestra el funcionamiento del ciclo no ideal y seguidamente se presenta una ilustración, para el calculo de la eficiencia.

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Figura No. 16. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine No Ideal

Fuente propia

Ilustración. Para las mismas condiciones de operación de la ilustración anterior, se consideran ahora irreversibilidades. La eficiencia de la turbina y de la bomba es del 85% respectivamente. La potencia de salida neta del ciclo es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la relación de trabajo; c) la razón de flujo de masa de vapor; d) la razón de transferencia de calor en el ebullidor; e) la razón de transferencia de calor en el condensador; f) la razón de flujo de masa de agua de enfriamiento en el condensador si entra a 15°C y sale a 35°C

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Se incluye una rutina desarrollada en Excel para el cálculo de la eficiencia del ciclo de Rankine.

Figura No. 17. CICLO RANKINE EN EXCEL

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3. Ciclo Rankine con Recalentamiento Al ciclo Rankine Simple se le pueden hacer modificaciones que buscan aumentar la eficiencia térmica de primera ley.

Figura No. 17. Componentes del Ciclo Rankine con Recalentamiento

Fuente propia

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Una modificación consiste en generar un recalentamiento del fluido de trabajo el cual se extrae de la turbina y se regresa a una segunda turbina.

En este caso, la mejora en la eficiencia consiste en primer lugar en que se aumenta la cantidad de trabajo útil del ciclo, tal como es observarse en la grafica TS. Un segundo punto de importancia es que ahora se utilizan dos turbina más

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pequeñas en comparación con el ciclo simple, lo cual beneficia aspectos de mantenimiento y costos de operación y adquisición del equipo. En teoría, si se realizaran infinitos procesos de recalentamiento se utilizarían microturbinas y el proceso tendería a un comportamiento isotérmico.

El ciclo se completa en seis etapas, transportando con la ayuda de una bomba, agua fría a la caldera desde el condensador. Es una etapa considerada isométrica y el trabajo ideal coincide con la expresión obtenida para el ciclo simple, WB = V5 (P6 – P5).

La segunda etapa se realiza en la caldera, en donde recibe energía en forma de calor, QA = H1 – H6 = mf (h1 – h6).

En la tercera etapa se extrae energía al fluido en forma de trabajo útil en la primera turbina. Se evalúa en términos de las condiciones del fluido a la salida, generalmente a una presión intermedia y como vapor sobrecalentado, WT1 = H2 – H1 = mf (h2 – h1).

En la cuarta etapa se hace pasar el fluido de trabajo por la caldera para un recalentamiento que lo puede llevar hasta una temperatura cercana de la del fluido a la entrada de la primera turbina, QR = H3 – H2.

La quinta etapa extrae energía al fluido en forma de trabajo útil en la segunda turbina, WT2 = H4 – H3 = mf (h4 – h3).

En la sexta etapa la mezcla liquido-vapor obtenida de la etapa anterior se lleva al condensador en donde sale como liquido saturado, liberando calor a los alrededores del sistema, QB = H5 – H4 Si el ciclo con recalentamiento no es ideal, se extraerá menor cantidad de trabajo en las turbinas y se consumirá mayor trabajo en la bomba.

Para lograr los mismos resultados será necesario agregar mayor cantidad de calor en la caldera a fin de compensar esas perdidas. Por otra parte, si los intercambiadores pierden presión por perdidas de calor y fricciones al fluir, incidirá por su parte en la adición de energía adicional.

En la figura No. 18 se muestra el funcionamiento del ciclo con recalentamiento ideal y seguidamente se presenta una ilustración, para realizar el cálculo de eficiencia, que se amplía posteriormente para el caso del comportamiento no ideal.

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Figura No. 18. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine con Recalentamiento

Fuente propia

Se muestra un ciclo con recalentamiento ideal y seguidamente con irreversibilidades para el calculo de le eficiencia.

Ilustración. Un ciclo Rankine con recalentamiento trabaja con agua que entra a la turbina a 8.0 MPa y 480°C y sale de la primera etapa a 0.7 MPa. Luego se recalienta hasta 440°C y entra a la segunda etapa en la turbina en donde se expande hasta la presión de 0.008 MPa. La potencia neta de salida es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la razón de flujo de masa de vapor; d) la transferencia de calor en el condensador

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4. Ciclo Rankine con Regeneración Para mejorar le eficiencia del ciclo también se puede incorporar un precalentamiento al fluido que ingresa a la caldera, por medio de la extracción de una pequeña fracción de vapor desde la turbina y el intercambio de calor respectivo con el fluido a la bomba, en un proceso que se llama de regeneración.

En ese sentido, la regeneración se practica con intercambio indirecto de calor en un intercambiador convencional o por medio de la mezcla del vapor y el fluido condensado en un proceso abierto.

En todo caso, la ganancia en eficiencia se establece en una mayor eficiencia térmica de la caldera, puesto que se puede procesar igual cantidad de vapor con menor consumo de calor alto, es decir, de combustible puesto que el fluido a la entrada está a una mayor temperatura.

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Se muestra en el diagrama el arreglo típico de cilco Rankine con regeneración utilizando un solo intercambiador de calor, llamado ciclo de una etapa.

Figura No. 19. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine con Regeneración

Fuente propia

Se incluye una ilustración de este tipo de ciclo.

Solución

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Con la regeneración se aumenta considerablemente la eficiencia térmica para una misma potencia neta de salida. Esto conlleva una disminución en el requerimiento de calor en la caldera y una menor tasa de transferencia de calor en el condensador. Por ende, menos requerimiento de agua de enfriamiento.

CICLOS DE POTENCIA INVERSOS

Figura No. 20. Ciclo de Refrigeración

Para efectuar traslados de energía calorífica de regiones frías hacia otras más calientes, tal el caso de los refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, es necesario aplicar potencia para vencer la tendencia espontánea del flujo de calor de viajar de regiones calientes hacia niveles de menor contenido energético.

Estos ciclos trabajan utilizando un Fuente: Didactic Technologies refrigerante de bajo punto de ebullición que extrae calor latente de una región fría al volatilizarse. El fluido como vapor saturado es llevado a un compresor que lo procesa para llevarlo a un estado de sobresaturación a alta presión y alta temperatura. Este vapor se somete a un proceso de enfriamiento trasladando así el calor bajo más la potencia agregada en el compresor hacia el medio a temperatura alta.

Se completa el ciclo en dos posibilidades. Para pequeños sistemas, tal como los refrigeradores hogareños, se emplea una válvula de expansión isentálpica. Para sistemas de mayor tamaño se emplea una turbina de expansión.

Estos ciclos emplean refrigerantes como fluidos de trabajo con bajos puntos de volatilización, como quedó apuntado anteriormente. Desde su creación, se ha empleado bióxido de carbono, amoníaco y posteriormente la serie de Freones, compuestos orgánicos fluro-clorocarbonados, que ha sido reemplazados recientemente por su impacto y destrucción de la capa de ozono. Se emplean compuestos sin cloro estructural, tal el caso del refrigerante H134a,.

La eficiencia de estos ciclos se evalúa a través del coeficiente de funcionamiento COP (del inglés) como la relación entre el calor extraído

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de la región fría con respecto al trabajo requerido,

1.

Ciclo de Refrigeración Ideal

Figura No. 21. Diagrama del Ciclo de Refrigeración

Se muestra en la figura el esquema típico del ciclo ideal simple. Es ciclo ideal es el más sencillo. El compresor y la turbina trabajarían isentrópicamente, y en su caso la válvula de Fuente: Propia expansión en forma isentálpica.

Ambos intercambiadores, el evaporador y el condensador, operarían a presión constante.

Se muestra una ilustración de este ciclo.

Ilustración. Un refrigerador ideal utiliza refrigerante H134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra al condensador como vapor saturado a 28 ºC y sale como liquido saturado. La eficiencia del ciclo es COP= 4.5.

Determine la eficiencia del compresor y la potencia requerida si el medio ambiente esta a 20 ºC. Solución

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Figura No. 22. Diagrama del Ciclo No Ideal de Refrigeración

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2. Ciclo de Refrigeración no ideal A diferencia del ciclo ideal, tanto la turbina, o la válvula de expansión, como el compresor operan con una eficiencia determinada restándole eficiencia global al ciclo. Ambos intercambiadores, a su vez, pueden operar con pérdidas de presión que a su vez introducen ineficiencias globales al ciclo.

Fuente: Propia

Se incluye una ilustración sobre este ciclo.

Ilustración. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza refrigerante 134A a razón de 6 kg/min. El refrigerante entra al compresor a -10ºC y 1.4 bar y sale a 7 bar. La eficiencia isentrópica del compresor es del 67%. El refrigerante sale del condensador a 7 bar y 24ºC. Solución.

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3. Bomba de Calor

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Figura No. 23. Bomba de Calor

Este tipo de arreglo funciona de tal manera que se extrae calor de una región fría para trasladarla a otra región de temperatura alta realizando un efecto de calentamiento.

Se utilizan en regiones del planeta en donde el clima

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Fuente: GEOSOLMAX

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frío del medio ambiente requiere de sistemas de calefacción para ambientes interiores. Se extrae calor de regiones tales como el fondo de un lago o un río que están a temperatura relativamente más elevadas que el medio ambiente externo permitiendo el principio del sistema de refrigeración, en donde lo que se busca es trasladar calor y no enfriar.

El coeficiente de funcionamiento COP se evalúa como la relación del calor alto liberado con respecto a la potencia requerida, en contraste con la fórmula para los ciclos tradicionales de refrigeración. Se incluye una ilustración.

Ilustración. Una bomba de calor utiliza refrigerante 134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra al compresor del ciclo a 2.4 bar y 0ºC con un flujo volumétrico de 0.6 m3/min. La compresión es adiabática hasta 9 bar y 60ºC. El fluido de trabajo sale del condensador a 9 bar.

Solución.

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GUÍA DE ESTUDIO T-4 Prof. Adolfo de la Cruz

GUÍA DE ESTUDIO Preguntas de Repaso y Razonamiento Subraye la respuesta correcta.

1. El ciclo termodinámico en que operan sistemas o maquinas para producir una salida de potencia neta se llama: a) Ciclo ideal b) Ciclo de Gas c) Ciclo de Vapor d) Ciclo real e) Ciclo de Potencia f) Ciclo de Refrigeración 2. La eficiencia térmica de un motor de Otto o Diesel en comparación con la de un motor de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura será: b) Mayor c) No se puede a) Menor comparar 3. Al utilizar la regeneración o el recalentamiento en un Ciclo Rankine la eficiencia de este en comparación con la de un Ciclo Rankine simple: a) Aumenta b) Disminuye c) Permanece igual 4. En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, por cada °C que se eleve la temperatura de evaporación o que disminuya la temperatura de condensación el COP: a) Aumenta b) Disminuye c) Permanece igual 5. El área encerrada por un ciclo en un diagrama P-v representa: a) La entalpía total b) La entropía total c) La Exergía total d) El Calor neto utilizado e) El trabajo neto realizado f) Es sólo un área 6. La eficiencia térmica de una máquina es la relación entre el trabajo neto producido y:

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a)

El trabajo neto de ingreso al ciclo

b) La entropía neta de salida

c)

El calor neto de ingreso al ciclo

d) La entalpía neta de salida

7. Para la misma relación de compresión, el motor de Otto en comparación con el motor Diesel, tendrá una eficiencia: b) Mayor b) Menor c) Permanece igual 8. En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, si la valvula de estrangulamiento es sustituida por una turbina el COP del refrigerador: a) Aumenta b) Disminuye c) Permanece igual

Escriba si es verdadera (V) o si es falsa (F) cada una de las siguientes proposiciones. Si escribe falsa justifique su respuesta.

1. En los ciclos de gas el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa durante todo el ciclo. ______

2. Una forma de clasificar las máquinas térmicas es como máquinas de combustión externa y máquinas de combustión interna. _______

3. El Ciclo de Otto es el ciclo ideal para máquinas reciprocantes de encendido por chispa de cuatro tiempos. ______

4. Los motores de encendido por chispa se conocen también como motores de gasolina. ______

5. Los ciclos de Stirling y Ericson son dos ciclos totalmente reversibles que incluyen un proceso de adición de calor isotérmico a Talta y un proceso a rechazo de calor isotérmico a Tbaja. ______

6. En esencia, un ciclo de refrigeración es un ciclo invertido de una máquina térmica. ______

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Realice lo que se le pide: 1. Enumere las cuatro etapas en las que opera el Ciclo de Otto y muéstrelas en un diagrama P-V

2. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo Diesel y muéstrelas en un diagrama P-V

3. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo de Brayton y muéstrelas en un diagrama P-V y T-S

4. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo Rankine simple e ideal y muéstrelas en un diagrama T-S

5. Enumere las cuatro etapas en las que opera un Ciclo invertido de Carnot, muéstrelas en un diagrama T-S y realice un esquema del refrigerador Carnot.

6. Enumere las cuatro etapas en las que opera un Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, muéstrelas en un diagrama T-S y realice su esquema de refrigeración.

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7. Muestre los puntos de cada figura que corresponden a un Ciclo de Rankine en un diagrama T-S.

CICLO RANKINE SIMPLE

CICLO RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO

CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN

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CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN SIMPLE

CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN POR CALENTADOR

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GLOSARIO DE TÉRMINOS T-4 Prof. Adolfo de la Cruz

GLOSARIO

BOMBAS DE CALOR

Son los refrigeradores que se emplean con el fin de calentar un espacio transfiriendo calor desde un medio más frío.

CICLO DE GAS

El fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa durante todo el ciclo.

CICLO DE POTENCIA

Ciclo termodinámico en que operan sistemas o máquinas para producir una salida de potencia neta.

CICLO DE REFRIGERACIÓN

Ciclo en que operan los refrigeradores.

CICLO DE VAPOR

El fluido de trabajo existe como vapor durante una parte del ciclo y como líquido durante otra.

CICLO TERMODINÁMICO

Son arreglos ordenados e interrelacionados de equipos y dispositivos que sirven para, a través de intercambios de energía, obtener algún beneficio neto.

COEFICIENTE DE DESEMPEÑO

Expresión para el desempeño refrigeradores y las bombas de calor.

COGENERACIÓN

Es la producción de más de una forma útil de energía a partir de la misma fuente de energía.

EFICIENCIA TÉRMICA

Es la expresión del desempeño de una máquina térmica para convertir energía térmica en trabajo.

de

los

MÁQUINA DE COMBUSTIÓN INTERNA El calor se genera al quemar un combustible dentro de las fronteras del sistema.

MAQUINA TÉRMICA

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Dispositivo que se emplea para convertir la transferencia de calor en trabajo.

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TERMODINÁMICA

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REFRIGERACIÓN

Es la transferencia de calor de regiones de temperatura inferior a regiones de temperatura más altas.

REFRIGERADORES

Dispositivos que producen refrigeración.

REGENERACIÓN

Sistema de recuperación interna de calor en un ciclo que le permite una mayor eficiencia.

Referencias bibliográficas CENGEL, YUNUS & BOLES, MICHAEL. (2006). Termodinámica. McGraw Hill Editorial. 4ª. Edition. México.

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TERMODINĂ MICA

Federico G. Salazar

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Nombre de archivo: T304 Directorio: C:\Users\Federico G. Salazar\Documents Plantilla: C:\Users\Federico G. Salazar\AppData\Roaming\Microsoft\Plantillas\Normal.dotm Título: TERMODINAMICA ING. FEDERICO G. SALAZAR Asunto: Autor: Federico Salazar Palabras clave: Comentarios: Fecha de creación: 09/04/2007 05:41:00 p.m.

Cambio número: 242 Guardado el: 20/06/2011 10:54:00 p.m.

Guardado por: Federico G. Salazar Tiempo de edición: 12,281 minutos Impreso el: 20/06/2011 10:55:00 p.m. Última impresión completa Número de páginas: 46 Número de palabras: 5,710 (aprox.)

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