CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

1-2 Compresin isentrpica en una bomba

2-3 Adicin de calor a presin constante en una caldera

3-4 Expansin isentrpica en una turbina

4-1 Rechazo de calor a presin constante en un condensador

wturbina,salida

Bomba

Turbina

3

4

Caldera

Condensador

w

bomba,entrada

2

1

qentrada

qsalida

s

T

3

2

1 4

wturbina,salida

wbomba,entradaqsalida

qentrada

wbomba,entrada h2 h1 qentrada h3 h2

wturbina,salida h3 h4

qsalida h4 h1

Caldera (w 0):

Turbina (q 0):

Condensador (w 0):

wbomba,entrada v 1P2 P1 2

La eficiencia trmica del ciclo Rankine se determina a partir de

donde wneto qentrada qsalida wturbina,salida wbomba,entrada

hter wnetoqentrada

1 qsalidaqentrada

3

s

T

2s

4s1

4a

2a

La desviacin existente entre bombas y turbinas reales respecto de las isentrpicas puede ser compensada utilizando eficiencias isen- trpicas,definidas como

hT waws

h3 h4ah3 h4s

hP wswa

h2s h1h2a h1

DESVIACIN DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS

CMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento Talta,prom)

3

s

T

1 4

2

Incremento en wneto

3'

4'

El rea sombreada en este diagrama representa el aumento en eltrabajo neto, mientras que el rea total bajo la curva de proceso 3-3 representael aumento en la entrada de calor. De este modo, tanto el trabajo neto como laentrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor auna temperatura ms alta. Sin embargo,el efecto total es un incremento en laeficiencia trmica, porque aumenta la temperatura promedio a la cual se aadecalor.

El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas ms altas tiene otro efectomuy conveniente: disminuye el contenido de humedad del vapor a la salidade la turbina.

Reduccin de la presin del condensador(reduccin Tbaja,prom)

3

s

T

41

2

1'

2'

4'

P'4<

P 4

Incremento en wneto

P4

tanto el efecto total de reducir la presin del condensador es un aumento enla eficiencia trmica del ciclo.

El reasombreada en este diagrama representa el aumento en la salida neta de tra-bajo debido a la disminucin de la presin del condensador desde P4 hasta

. Los requerimientos de entrada de calor tambin aumentan (representadospor el rea bajo la curva 2-2), pero este incremento es muy pequeo. Por lo

EL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO

1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a laturbina. sta sera la solucin deseable porque la temperatura promedio a la quese aade calor tambin se incrementara, lo cual aumentara la eficiencia delciclo. Sin embargo, no es una solucin viable ya que requiere elevar la temper-atura del vapor hasta niveles metalrgicamente inseguros.

2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entreellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un pro-ceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solucin prctica alproblema de humedad excesiva en turbinas y es comnmente utilizada enmodernas centrales elctricas de vapor.

wturbina,salida wturbina,I wturbina,II 1h3 h4 2 1h5 h6 2qentrada qprimario qrecalentamiento 1h3 h2 2 1h5 h4 2

Bomba

Turbinade bajapresin

3

6

Caldera

Condensador

2

4

1

Turbinade altapresin

5

Recalen-tamiento

P4 = P5 = Precalentamiento

s

T

4

5

1 6

3

2

Turbina dealta presin

Turbinade bajapresin

Recalentamiento

El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.

Un calentador abierto de agua de alimentacin (o de contacto directo) esbsicamente una cmara de mezclado en la que el vapor extrado de laturbina se mezcla con el agua de alimentacin que sale de la bomba. Ideal-mente, la mezcla sale del calentador como lquido saturado a la presin delcalentador. El esquema de la central elctrica de vapor con un calentadorabierto de agua de alimentacin (denominado tambin ciclo regenerativo deuna sola etapa) y el diagrama T-s

wbomba,entrada 11 y 2wbomba I,entrada wbomba II,entrada wturbina,salida 1h5 h6 2 11 y 2 1h6 h7 2

qsalida 11 y 2 1h7 h1 2 qentrada h5 h4

wbomba,entrada 11 y 2wbomba I,entrada wbomba II,entrada

Bomba I

TurbinaCaldera

CondensadorBomba II

5

2

76

CAAabierto

4

1

3

y 1 y

7

5

6

1

3

4

2

s

T

y m#

5(fraccin de vapor extrado)6>m

wbomba I,entrada v1 1P2 P1 2 wbomba II,entrada v3 1P4 P3 2

EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVOUn proceso de regeneracin prctico en las centrales elctricas de vapor se logra con la extraccin o

drenado del vapor de la turbina en diversos pun- tos. Este vapor, que podra producir ms trabajo si se expande an ms en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua de alimentacin. El dispo- sitivo donde el agua de alimentacin se calienta mediante regeneracin se lla-ma regenerador o calentador de agua de alimentacin (CAA).

Calentadores abiertos de agua de alimentacin

La eficiencia trmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneracin. Esto se debe a que la regeneracin eleva la temperatura prome- dio a la que el calor se transfiere al vapor en la caldera aumentando la tem- peratura del agua antes de que entre a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa an ms cuando aumenta el nmero de calentadores de agua dealimentacin.

Ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentacin.

donde

UsuarioRectngulo

Calentadores cerrados de agua de alimentacinOtro tipo de calentador de agua de alimentacin frecuentemente utilizado en las centrales elctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de ali- mentacin, en el cual el calor se transfiere del vapor extrado hacia el agua de alimentacin sin que suceda ninguna mezcla. Las dos corrientes puedenestar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan.

Caldera

Condensador

T

5

6

1 8

2

Bomba II

Turbina

1

9

2

8Cmara demezclado CAA

cerrado

6

34

77

3

45

9

Bomba IEl ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentacin.

Los calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentacin pueden sercomparados de la siguiente manera. Los abiertos son simples y econmicos y tienen buenas caractersticas para la transferencia de calor. Tambin llevan alagua de alimentacin al estado de saturacin. Sin embargo, cada calentadorrequiere una bomba para manejar el agua de alimentacin. Por su parte, los cerrados son ms complejos debido a la red de tuberas internas, de manera que resultan ms caros. La transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentacin es menos efectiva porque no se permite que las dos corrientes entren en contacto directo. No obstante, los calentadores cerrados de agua de alimentacin no requieren una bomba independiente para cada calentador, ya que el vapor extrado y el agua de alimentacin pueden estar apresiones diferentes.

X#

RESUMEN

La eficiencia trmica del ciclo Rankine se incrementa al ele- var la temperatura promedio a la cual se transfiere calor hacia el fluido de trabajo y/o al disminuir la temperatura promedio a la que se rechaza el calor hacia el medio de enfriamiento. La tem- peratura promedio durante el rechazo de calor puede reducirse disminuyendo la presin de salida de la turbina. Consecuente- mente, la presin del condensador de la mayor parte de las cen- trales elctricas de vapor est por debajo de la presin atmosf- rica. La temperatura promedio durante la adicin de calor se incrementa elevando la presin de la caldera o sobrecalentando el fluido a altas temperaturas. Sin embargo, hay un lmite para el grado de sobrecalentamiento, ya que la temperatura del flui- do no permite exceder un valor metalrgicamente seguro.El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de dismi- nuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbi- na. Sin embargo, al disminuir la presin de escape o elevar la presin de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a presiones ms altas de la caldera y presiones menores del condensador, el vapor suele recalentarse despus de que se expande parcialmente en la turbina de alta presin. Esto se lleva a cabo extrayendo elvapor en la turbina de alta presin despus de la expansinparcial, envindolo de regreso a la caldera donde se recalientaa presin constante y regresndolo a la turbina de baja presinpara completar la expansin hasta la presin del condensador.La temperatura promedio durante el proceso de recalenta-miento, y en consecuencia la eficiencia trmica del ciclo, sepueden incrementar al aumentar el nmero de etapas de ex-pansin y de recalentamiento. Cuando aumenta el nmero deetapas,los procesos de expansin y recalentamiento se acer-can a un proceso isotrmico a temperatura mxima. El reca- lentamiento tambin disminuye el contenido de humedad a lasalida de la turbina.

Otra manera de aumentar la eficiencia trmica del ciclo Ran- kine es la regeneracin. Durante un proceso de este tipo, el agua lquida (agua de alimentacin) que sale de la bomba se calienta, mediante algo de vapor extrado de la turbina a cierta presin in- termedia, en dispositivos llamados calentadores de agua de ali- mentacin. Las dos corrientes se mezclan en calentadores abier- tos de agua de alimentacin, mientras que la mezcla sale como lquido saturado a la presin del calentador. En calentadores ce- rrados de agua de alimentacin, el calor se transfiere del vaporhacia el agua de alimentacin sin que halla mezcla.

CICLOS DE REFRIGERACINEl desempeo de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en trmi-nos del coeficiente de desempeo (COP),

por sus siglas en ingls, definidocomo

COPBC Salida deseada

Entrada requerida

QHWneto,entrada

Efecto de calentamiento

Entrada de trabajo

COPR Salida deseada

Entrada requerida

Efecto de enfriamiento

Entrada de trabajo

QL

COPR Salida deseada

Entrada requerida

Efecto de enfriamiento

Entrada de trabajo

QL

Wneto,entrada

EL CICLO INVERTIDO DE CARNOT

Esquema de un refrigerador de Carnot y diagrama T-s del ciclo invertido de Carnot.

Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot es definido como un refrigerador de Carnoto unabomba de calor de Carnot.

EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

El ciclo que re-sulta se denomina ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor. Elciclo de refrigeracin por compresin de vapor es el que ms se utiliza en re-frigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Secompone de cuatro procesos:

1-2 Compresin isentrpica en un compresor2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador

QH

QL4

3

2

1

T

s

4'

Vapor saturado

Lquidosaturado

Wentrada

wneto,entrada

qL h1 h4COPR h2 h1wneto,entrada

wneto,entrada

qH

h2 h3COPBC h2 h1wneto,entrada

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SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACINPOR COMPRESIN DE VAPOREl ciclo simple de refrigeracin por compresin de vapor estudiado antes, es elms utilizado y el ms adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de re-frigeracin. Los sistemas de refrigeracin por compresin de vapor ordinariosson simples, econmicos, confiables y prcticamente libres de mantenimiento.

Sistemas de refrigeracin en cascadaUngran intervalo de temperatura significa tambin un gran nivel de presin en elciclo y un pobre desempeo en un compresor reciprocante. Una manera de en-frentar esas situaciones consiste en efectuar el proceso de refrigeracin poretapas, es decir, tener dos o ms ciclos de refrigeracin que operan en serie.Tales procesos se denominan ciclos de refrigeracin en cascada.

Suponiendo que el inter- cambiador de calor est bien aislado y que las energas cintica y potencial son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. De modoque la relacin de los flujos msicos en cada ciclo debe ser

Adems, #L #

m#

A 1h5 h8 2 m#

B 1h2 h3 2 m#

A

m#

B

h2 h3h5 h8

neto,entrada#

mB 1h1 h4 2

B 1h2 h1 2 A 1h6 h5 2 m#

mQCOPR,cascada #

W

s

Un sistema de refrigeracin en cascada de dos etapas con el mismo refrigerante en ambas etapas.

Sistemas de refrigeracin por compresinde mltiples etapasCuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeracin en cascada esel mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse poruna cmara de mezclado (llamada cmara de evaporacin instantnea),puesto que tiene mejores caractersticas de transferencia de calor. A dichossistemas se les denomina sistemas de refrigeracin por compresin demltiples etapas.

Un sistema de refrigeracin por compresin de dos etapas con una cmara de evaporacin instantnea.

CICLOS DE REFRIGERACIN DE GASDehecho, el ciclo de refrigeracin por compresin de vapor es en esencia un ci-clo Rankine modificado que opera a la inversa. Otro ejemplo es el ciclo in-vertido Stirling, que es el ciclo con base en el cual operan los refrigeradoresStirling. En esta seccin, se analiza el ciclo invertido Brayton, mejor conoci-do como el ciclo de refrigeracin de gas.

4

MedioCALIENTE

Espacio refrigeradoFRO

QH

Intercambiadorde calor

QL

3

2

1

T

s

4

QH

QL

3 2

Compresor

Wneto,entrada

Intercambiadorde calor

Turbina

1

Ciclo simple de refrigeracin de gas.

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calor sea infinitamente largo.

Todos los procesos recin descritos son internamente reversibles, y el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeracin de gas. En los ciclos reales de re- frigeracin de gas, los procesos de compresin y expansin se desviaran delos isentrpicos, y T3 ser ms alta que T0 a menos que el intercambiador de

3

2

1

T

s

4

Ciclo derefrigeracinde gas

A

B

Cicloinvertidode Carnot

COPR qL

wneto,entrada

qL

wcompresor,entrada wturbina,salida

wcompresor,entrada h2 h1

wturbina,salida h3 h4

qL h1 h4donde

RESUMEN

La transferencia de calor de regiones de temperatura inferior aregiones de temperaturas ms altas se llama refrigeracin. Losdispositivos que producen refrigeracin se llaman refrigerado-res, y los ciclos en los que operan reciben el nombre de ciclosde refrigeracin. Los fluidos de trabajo utilizados en los ci-clos de refrigeracin se llaman refrigerantes. Los refrigerado-res que se emplean con el fin de calentar un espacio transfi- riendo calor desde un medio ms fro se llaman bombas decalor.

COPBC Salida deseada

Entrada requerida

Efecto decalentamiento

Entrada de trabajo

QHWneto,entrada

COPR Salida deseada

Entrada requerida

Efecto deenfriamiento

Entrada de trabajo

QLWneto,entrada

El desempeo de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en trminos del coeficiente de desempeo (COP), definido como

El ciclo de refrigeracin ms empleado es el ciclo de refri-geracin por compresin de vapor. En un ciclo ideal de refri-geracin por compresin de vapor, el refrigerante entra alcompresor como un vapor saturado y se enfra hasta el estadode lquido saturado en el condensador. Luego se estrangulahasta la presin del evaporador y se evapora en tanto absorbecalor del espacio refrigerado.

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CICLOS DE POTENCIA DE GASCONSIDERACIONES BSICAS PARA ELANLISIS DE LOS CICLOS DE POTENCIA

la entrada de calor total:

Las mquinas trmicas se disean con el propsito de convertir energa tr-mica en trabajo y su desempeo se expresa en trminos de la eficiencia tr-mica hter, que es la relacin entre el trabajo neto producido por la

mquina y

hter Wneto

Q entradao hter

wnetoqentrada

Los ciclos ideales son internamente reversibles, pero, a diferencia del ciclo de Carnot, no son necesariamente externamente reversibles. Esto es, pueden incluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura finita. Entonces, la eficiencia trmica de un ciclo ideal, en general, es menor que la de un ciclo totalmente reversi- ble que opera entre los mismos lmites de temperatura. Sin embargo, incluso es considerablemente ms alta que la eficiencia trmica de un ciclo real debi-do a

las idealizaciones utilizadas

Las idealizaciones y simplificaciones empleadas comnmente en el anlisis de los ciclos de potencia, pueden resumirse del siguiente modo:

1. El ciclo no implica ninguna friccin. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna cada de presin cuando fluye en tuberas o disposi- tivos como los intercambiadores de calor.

2. Todos los procesos de expansin y compresin ocurren en la forma decuasiequilibrio.

3. Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de un sistema estn muy bien aisladas y la transferencia de calor a travs de ellas esinsignificante.

SUPOSICIONES DE AIRE ESTNDARLos ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos. Para reducirel anlisis a un nivel manejable, se

utilizan las siguientes aproximaciones,conocidas comnmente como suposiciones de aire estndar:

2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.3. El proceso de combustin es sustituido por un proceso de adicin de

que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.

1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal.

calor desde una fuente externa (Fig. 9-9).4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor

En ciclos ideales, el proceso de com-bustin se sustituye por otro de adi-cin de calor.

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La relacin entre el mximo volumen formadoen el cilindro y el volumen mnimo (espacio libre) recibe el nombre derelacin de compresin r del motor:

VPMI

Vmxr

Vmn VPMSObserve que la relacin de compresin es una relacin de volumen y no debeconfundirse con la relacin de presin.

Otro trmino empleado en las mquinas reciprocantes es la presin media efectiva (PME), una presin ficticia que, si actuara sobre el mbolo durante toda la carrera de potencia, producira la misma cantidad de trabajo neto queel producido durante el ciclo real.

Wneto PME rea del mbolo carrera PME volumen de desplazamiento

WnetoPME

Vmx Vmn

wneto

vmx vmn1kPa 2

CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LASMQUINAS DE ENCENDIDO POR CHISPA

El anlisis termodinmico de los ciclos reales de cuatro y dos tiempos antes descritos no es una tarea simple. Sin embargo, el anlisis puede simplificarse demanera significativa si se utilizan las suposiciones de aire estndar, ya que el ci-clo que resulta y que es parecido a las condiciones de operacin reales es el ciclo de Otto ideal, el cual se compone de cuatro procesos reversibles internamente:

1-2 Compresin isentrpica2-3 Adicin de calor a volumen constante3-4 Expansin isentrpica

4-1 Rechazo de calor a volumen constante

T

s

1

2

3

4

v = co

nst.

v = co

nst.

qsalida

qentrada

El ciclo de Otto se ejecuta en un sistema cerrado, y sin tomar en cuenta los cambios en las energas cintica y potencial, el balance de energa para cual-quiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como

(qentrada qsalida) (wentrada wsalida) u (kJ/kg)

No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor porque ambos toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferenciade calor hacia y desde el fluido de trabajo puede expresarse como

qsalida u4 u1 cv 1T4 T1 2qentrada u3 u2 cv 1T3 T2 2

Entonces, la eficiencia trmica del ciclo de Otto ideal supuesto para el airefro estndar es

hter,Otto wnetoqentrada

1 qsalidaqentrada

1 T4 T1T3 T2

1 T1 1T4>T1 1 2T2 1T3>T2 1 2

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, y v2 v3 y v4 v1. Por lo tanto,

T1T2

av2v1

bk1

av3v4

bk1

T4T3iciencia trmica y simpli-Sustituyendo estas ecuaciones en la relacin de la ef

se obtiene icando, f

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Sustituyendo estas ecuaciones en la relacin de la eficiencia trmica y simpli-ficando, se obtiene

donde

r VmxVmn

V1V2

v1v2

hter,Otto 1 1

r k1

que es la relacin de compresin, y k es la relacin de calores especficoscp /cv.

CICLO DIESEL: EL CICLO IDEALPARA LAS MQUINAS DE ENCENDIDO POR COMPRESIN

1

2 3

4

P

IsentrpicoIsentrpico

va) Diagrama P-v

v

qentrada

qsalida

s

1

2

3

4

T

P = constant

e

v = co

nstant

e

b) Diagrama T-s

qsalida

qentrada

Si se observa que el ciclo Diesel se ejecuta en un dispositivo de pistn y ci- lindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor aadida al fluido de trabajo a presin constante y rechazada por ste a volumen constante pue- de expresarse como

y

qentrada wb,salida u3 u2S qentrada P2 1v3 v2 2 1u3 u2 2

qsalida u1 u4S qsalida u4 u1 cv 1T4 T1 2

h3 h2 cp 1T3 T2 2

qentrada qentrada

qsalida 1

k 1T3 T2 2T4 T1

1 1 kT2 1T3>T2 1 2T1 1T4>T1 1 2

Entonces, la EFICIENCIA TRMICA de un ciclo Diesel ideal bajo las suposicionesde aire fro estndar se vuelve

wnetohter,Diesel

Ahora se define una nueva cantidad, la relacin de corte de admisin rc, c o - mo la relacin de los volmenes del cilindro antes y despus del proceso de

rc V3V2

v3v2

dr kr k1c c 1k 1rc 1 2

1hter,Diesel 1

hter,Otto 7 hter,Diesel

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CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARALOS MOTORES DE TURBINA DE GASLas turbinas de gas generalmente operan en un CICLO ABIERTO. Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presin se eleva. El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin, donde el combustible se quema a presin constante.Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expan-den hasta la presin atmosfrica, produciendo potencia. Los gases de escapeque salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causandoque el ciclo se clasifique como un ciclo abierto .

El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarsecomo un CICLO CERRADO, empleando las su- posiciones de aire estndar. En este caso los procesos de compresin y expan- sin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se sustituye por uno de adicin de calor a presin constante desde una fuente externa,mientrasque el proceso de escape se remplaza por otro de rechazo de calor a presinconstante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo expe-rimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual est integrado porcuatro procesos internamente reversibles:

Compresorwneto

Turbina

Cmara decombustin

Airefresco

Gases deescape1

23

4

Combustible

Un motor de turbina de gas de ciclo abierto.

qentrada

Un motor de turbina de gas de ciclo cerrado.

s

T

2

3

4

1

P = co

nstan

te

P = con

stante

a) Diagrama T-s

qsalida

qentrada

1-2 Compresin isentrpica (en un compresor)

2-3 Adicin de calor a presin constante

3-4 Expansin isentrpica (en una turbina)

4-1 Rechazo de calor a presin constante

P

s = constante

s = constante

2

1 4

3

b) Diagrama P-v

qsalida

qentrada

v

Cuando los cambios en las energas cintica y potencial son insignifi-cantes, el balance de energa para un proceso de flujo estable puede expresar-se, por unidad de masa, como

(qentrada qsalida) (Wentrada wsalida) hsalida hentrada

Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es

y

qentrada h3 h2 cp 1T3 T2 2

qsalida h4 h1 cp 1T4 T1 2Entonces, la eficiencia trmica del CICLO BRAYTON IDEAl bajo las suposicionesde aire fro estndar se convierte en

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, por lo que P2 P3 y P4 P1. Porlo tanto,

T2T1

aP2P1

b1k12>k

aP3P4

b1k12>k

T3T4

cp 1T3 T2 2 T2 1T3>T2 1 2cp 1T4 T1 2 T1 1T4>T1 1 2

1 1 qsalida

1 qentrada

wnetohter,Brayton qentrada

Al sustituir estas ecuaciones en la relacin de eficiencia trmica y al simplifi-car, se obtiene

p

hter,Brayton 1 1

r 1k12>kdonde

rp P2P1

es la relacin de presin y k la relacin de calores especficos.

RESUMEN

El ciclo Diesel es el ciclo ideal para las mquinas recipro- cantes de encendido por compresin. Este ciclo es muy simi-lar al de Otto, excepto en que el proceso de adicin de calor a volumen constante se remplaza por un proceso de adicin de calor a presin constante.

El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas recipro- cantes de encendido por chispa y se compone de cuatro proce-sos internamente reversibles: compresin isentrpica, adicin de calor a volumen constante, expansin isentrpica y rechazo de calor a volumen constante.

El ciclo ideal para las mquinas modernas de turbinas de gas es el ciclo Brayton, que est compuesto por cuatro procesos in-ternamente reversibles: compresin isentrpica (en un compre- sor), adicin de calor a presin constante, expansin isentrpica (en una turbina) y rechazo de calor a presin constante.

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CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS COGENEFRACIN

COGENERACINLas industrias que utilizan grandes cantidades de calor de proceso tambin consumen una gran cantidad de

energa elctrica. Por consiguiente, desde el punto de vista de la ingeniera es ms econmico utilizar el potencial de tra- bajo ya existente para producir energa en vez de permitir que se desperdicie. El resultado es una central que produce electricidad mientras cubre los reque- rimientos de calor de proceso de ciertos procesos industriales. Una central deeste tipo es llamada central de cogeneracin. En general, la cogeneracin es la produccin de ms de una forma til de energa (como calor de proceso yenerga elctrica) a partir de la misma fuente de energa.

Wbomba = 0

Bomba

Turbina

3

4

Caldera

100 kW

Calentadordel proceso

2

1

120 kW

20 kW

~

Una central ideal de cogeneracin.

Para una central de cogeneracin es apropiado definir un fac-tor de utilizacin u como

o#

salida

entrada

p

entrada

#Q

Qu 1

Entrada total de calor

Salida de trabajo neto Calor de proceso entregadou #

Q

#W

#neto Q

donde Q.

.salida incluye tambin todas las prdidas trmicas indeseables de la

salida representa el calor rechazado en el condensador. Estrictamentehablando, Qtubera y otros componentes, aunque suelen ser pequeas y por ello se con-sideran insignificantes.

Una central de cogeneracin concargas ajustables.

En los momentos de gran demanda de calor de proceso, todo el vapor se en-va a las unidades de calentamiento de proceso mientras que nada se manda alcondensador (m

.7 0). De este modo, el calor de desecho es cero. Si esto no

es suficiente, se estrangula una parte del vapor que sale de la caldera medianteuna vlvula de expansin o de reduccin de presin (VRP) hasta la presin deextraccin P6 y se enva a la unidad de calentamiento de proceso. El mximocalentamiento de proceso se alcanza cuando todo el vapor que sale de la calde-ra pasa a travs de la VRP (m

.5 m

.4). De este modo, ninguna potencia se pro-

duce. Cuando no hay demanda de calor de proceso, todo el vapor pasa a travsde la turbina y el condensador (m

.5 m

.6 0), y la central de cogeneracin

opera como una central ordinaria elctrica de vapor. Las tasas de entrada decalor, calor rechazado y el suministro de calor de proceso, as como la poten-cia producida en esta central de cogeneracin, se expresan como:

# #

Q#

p m#

5h5 m#

6h6 m#

8h8

Q#

salida m#

7 1h7 h1 2

#

5 2 1h4 h6 2 m7 1h6 h7 24 mturbina 1m#W

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Caldera

Conden-sador

s

T

Bomba I

Turbina

Bomba II

5 kPa

7 MPa500C

7 MPa

1, 2, 3

4

5

6

10

8

711

911

7

8

Calentadordel proceso 5 kPa

4 5500 kPa500 kPa

Cmara demezclado

9

10

1

6

2 3

Vlvula deexpansin

CICLOS DE POTENCIA COMBINADOSDE GAS Y VAPORLa continua bsqueda de eficiencias trmicas ms altas ha originado modifi-caciones innovadoras en las centrales elctricas convencionales. El ciclo devapor binario que se analiza posteriormente es una de esas modificaciones.Otra modificacin an ms extendida incluye un ciclo de potencia de gas queremata a un ciclo de potencia de vapor, esto se denomina ciclo combinadode gas y vapor, o slo ciclo combinado. El ciclo combinado que ms intere-sa es el ciclo de turbina de gas (Brayton), el cual remata al ciclo de turbina devapor (Rankine), y que tiene una eficiencia trmica ms alta que cualquierade los ciclos ejecutados individualmente.

45

8

1

T

s

6

7

3

Qsalida

9

Qentrada

CICLODE VAPOR

CICLODE GAS

2

4

9

CICLO DE GAS

Intercambiadorde calor

CICLODE VAPOR

Gases deescape

Entradade aire

Condensador

Bomba

Qsalida

Qentrada

2

1

6 7

Compresor

Cmara decombustin

Turbinade gas

5 8

3

Turbinade vapor

CENTRAL ELCTRICA COMBINADA DE GAS Y VAPOR.

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RESUMEN

La eficiencia trmica del ciclo Rankine se incrementa al ele- var la temperatura promedio a la cual se transfiere calor hacia elfluido de trabajo y/o al disminuir la temperatura promedio a la que se rechaza el calor hacia el medio de enfriamiento. La tem-peratura promedio durante el rechazo de calor puede reducirse disminuyendo la presin de salida de la turbina. Consecuente-mente, la presin del condensador de la mayor parte de las cen- trales elctricas de vapor est por debajo de la presin atmosf- rica. La temperatura promedio durante la adicin de calor se incrementa elevando la presin de la caldera o sobrecalentando el fluido a altas temperaturas. Sin embargo, hay un lmite parael grado de sobrecalentamiento, ya que la temperatura del flui-do no permite exceder un valor metalrgicamente seguro.

El sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de dismi- nuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbi-na. Sin embargo, al disminuir la presin de escape o elevar la presin de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores eficiencias a presiones ms altas de la caldera y presiones menores del condensador, el vaporsuele recalentarse despus de que se expande parcialmente enla turbina de alta presin. Esto se lleva a cabo extrayendo el vapor en la turbina de alta presin despus de la expansin parcial, envindolo de regreso a la caldera donde se recalientaa presin constante y regresndolo a la turbina de baja presinpara completar la expansin hasta la presin del condensador. La temperatura promedio durante el proceso de recalenta- miento, y en consecuencia la eficiencia trmica del ciclo, se pueden incrementar al aumentar el nmero de etapas de ex-pansin y de recalentamiento. Cuando aumenta el nmero deetapas, los procesos de expansin y recalentamiento se acer-can a un proceso isotrmico a temperatura mxima. El reca- lentamiento tambin disminuye el contenido de humedad a lasalida de la turbina.

Otra manera de aumentar la eficiencia trmica del ciclo Ran-kine es la regeneracin. Durante un proceso de este tipo, el agua lquida (agua de alimentacin) que sale de la bomba se calienta, mediante algo de vapor extrado de la turbina a cierta presin in- termedia, en dispositivos llamados calentadores de agua de ali- mentacin. Las dos corrientes se mezclan en calentadores abier- tos de agua de alimentacin, mientras que la mezcla sale como lquido saturado a la presin del calentador. En calentadores ce- rrados de agua de alimentacin, el calor se transfiere del vaporhacia el agua de alimentacin sin que halla mezcla.

La produccin de ms de una forma til de energa (como calor de proceso y energa elctrica) a partir de la mismafuente se llama cogeneracin. Las centrales de cogeneracinproducen energa elctrica al mismo tiempo que cubren los re- querimientos de calor de proceso en ciertos procesos indus- triales. De este modo, la mayor parte de la energa transferida al fluido en la caldera se utiliza para un propsito til. La fraccin de la energa que se utiliza ya sea para calor de pro-ceso o para generacin de potencia se llama factor de utiliza-cin de la central de cogeneracin.

La eficiencia trmica total de una central elctrica puede in- crementarse utilizando un ciclo combinado. El ciclo combina- do ms comn es el ciclo combinado de gas y vapor, en el queun ciclo de turbina de gas opera en el intervalo de alta tempe-ratura mientras que un ciclo de turbina de vapor opera en el intervalo de baja temperatura. El vapor se calienta mediante los gases de escape de alta temperatura que salen de la turbinade gas. Los ciclos combinados tienen una eficiencia trmicams alta que la de los ciclos de vapor o de turbina de gascuando stos operan individualmente.