Ciclos de Máquinas Térmicas de Vapor

Introducción

Rendimiento térmico

1Q

Wn

Relación de trabajo: este valor nos indicará la conveniencia económica de un ciclo determinado desde el punto de vista de los costos de instalación y podrá indicarnos que debe desecharse alguno de alto rendimiento térmico, optando por otro de menor rendimiento térmico, pero alta relación de trabajo.

instalada

utilw Potencia

Potenciar

Costos:• Instalación• Operación• Mantenimiento

IEM 2

Es un rendimiento energético, que nos indica la fracción de energía total suministrada a la máquina térmica que se transforma en trabajo útil. El valor que tome este coeficiente dará una idea sobre el consumo de combustible que la planta requerirá para producir una unidad de trabajo útil. Este coeficiente no será suficiente para indicar la conveniencia de la realización de un determinado ciclo.

Ciclo de Carnot

• 1-2 Vaporización: Caldera• 2-3 Expansión adiabática: turbina• 3-4 Condensación parcial:

Condensador• 4-1 Compresión adiabática

• 2 Isotérmicas, isobáricas• 2 adiabáticas reversibles

IEM 3

Es un ciclo ideal que permite obtener el máximo rendimiento térmico, operando entre 2 fuentes de temperaturas. Todas las transformaciones se realizan dentro de la zona heterogénea.

Esquema de la instalaciónTrabajo neto o útil

WcWW tn

1

2

1

1T

T

Q

Wn

Si el ciclo se describe reversiblemente, el rendimiento será función únicamente de las temperaturas T1 y T2

IEM 4

Teorema de Carnot

Inconvenientes técnicos del CC

Relación de trabajo

1

ct

ct

instalada

utilw WW

WW

Potencia

Potenciar

Dificultades prácticas para su concreción:

• Extracción de vapor húmedo en 4• Compresor de liquido y vapor ?• P1’ >>P1

• Proceso 1-1’: técnicamente imposible

IEM 5

La conclusión es que prácticamente resulta imposible la concreción de una planta de vapor en que se describa el ciclo de Carnot.

Ciclo de Rankine

Diferencias:• Salida del condensador: líquido saturado• Compresión de líquido en una bomba• Diferencia entre Carnot y Rankine:se

necesitan infinitas fuentes de calor intermedias entre T1 y T2

Relación de trabajo

1

bt

btwbt WW

WWrWW

CarnotRank

IEM6

Es un ciclo que tendrá mejor relación de trabajo que el de Carnot, puesto que en él se bombea agua líquida hacia la caldera, comprimiéndose líquido en lugar de vapor húmedo entre las mismas presiones.

Estado 4 y 1 difieren únicamente de la presión y no en la temperatura

Ciclo de Rankine-2

Mejora del rendimiento:• Aumento de la temperatura fuente caliente• Disminución de la temperatura de fuente fría

IEM 7

Se debe tratar que el título del vapor en el escape de la turbina no sea inferior a un valor del orden de 86 a 88%.

Por lo cual el ciclo de Rankine de menor rendimiento térmico que el de Carnot, pero mayor relación de trabajo, será el adoptado para las instalaciones de vapor.

Ciclo con vapor sobrecalentadoCaudal de vapor

43 hh

Wmv

Rendimiento térmico

53

43

hhhh

t

IEM 8

Ciclo con recalentamiento intermedio

14 tt

6543 hhhhWT

condcaldB ppvW '

1111 '''''' QQQQ

121' hhQ

231'' hhQ

451''' hhQ

1Q

WW BT IEM 9

El rendimiento será mejor que el del ciclo sin recalentamiento intermedio, siempre que se elija correctamente la presión intermedia a que se realiza el recalentamiento.

Ciclo Regenerativo Ideal

Área AB15 = Área CD23`

Inconveniente: turbina-intercambiador difícil construcción

IEM 10

Ciclo Regenerativo Real

73

67

hh

hhGx

736 .1. hGhGh xx

43321 hhhhGW xT

condextBC ppvW '

xextcaldBA GppvW 1'

821 1 hhGQ x

1Q

WWW BABCT

IEM 11

Debido a la dificultad mencionada , el ciclo regenerativo real se efectúa, extrayendo vapor de la turbina para precalentar el agua antes de su ingreso a la caldera. Suponemos el CM

adiabático y despreciamos las variaciones de Ec y Ep.

El numero de extracciones convenientes crecerá con la potencia de la planta.

Ciclo Regenerativo real

IEM 12

Ciclo Regenerativo real

IEM 13

IEM 14

BIBLIOGRAFÍA

Termodinámica Técnica, C. A. García, 1987, Editorial Alsina.

Termodinámica, Cengel-Boles, 2007, Editorial Mc Graw Hill.