Post on 25-Nov-2015
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 1
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Ingeniera en Energas renovables
4 Cuatrimestre
Programa de la asignatura:
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Clave:
TSU: 240920414 / ING: 230920414
Universidad Abierta y a Distancia de Mxico
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Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
ndice
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Presentacin de la unidad
Propsitos de la unidad
Competencia especfica
2.1. Ciclos de potencia
2.1.1. Ciclos de gas
Actividad 1. Cul es el ciclo correcto?
2.1.2. Ciclos de vapor
2.1.3. Ciclos combinados
Actividad 2. Aplicando los ciclos de potencia
2.2. Ciclos de refrigeracin
2.2.1. Propiedades refrigerantes
2.2.2. Sistemas de refrigeracin de vapor
2.2.3. Sistemas de refrigeracin de gas
Actividad 3. Aplicando los ciclos de refrigeracin
2.2.4. Bombas de calor
Actividad 4. Qu sistema elegir?
Actividad 5. Defiende tu sistema
Autoevaluacin
Evidencia de aprendizaje. Mi diseo es para un sistema de
Autoerreflexiones
Cierre de la unidad
Para saber ms
Fuentes de consulta
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Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Presentacin de la unidad
En la primera unidad, conocimos las bases para la optimizacin de los recursos proporcionados
por un proceso industrial. Para ello, nos apoyamos en la primera ley de la termodinmica que,
junto con el concepto de exerga y la segunda ley de la termodinmica, sirvieron para cumplir
dicho propsito. Ahora estamos en condiciones de analizar los ciclos termodinmicos que son
la base terica de los sistemas productores de potencia y de refrigeracin, indispensables para
la industria.
Con el fin de analizar los sistemas industriales productores de potencia, modelaremos stos por
medio de ciclos termodinmicos ideales, de modo que nos ayuden a entender tales sistemas
para obtener el mximo aprovechamiento de los mismos. Es importante tener claros los
conceptos de la unidad anterior y de la segunda ley de la termodinmica, estudiada en la
asignatura de termodinmica I, ya que por medio de estos conceptos analizremos los diversos
ciclos de vapor, gas y combinados ms utilizados para modelar sistemas industriales. As
mismo, a travs de ciclos termodinmicos, se modelan sistemas de refrigeracin de vapor y gas
de sistemas comnmente utilizados en la industria. La bomba de calor se analiza en este
apartado, ya que funciona de manera muy similar a un sistema refrigerante. En el camino,
evaluars la eficiencia de los sistemas considerados
Al trmino de la unidad, sers capaz de analizar y disear sistemas de potencia de gas y vapor
que son ampliamente utilizados en la industria. De igual manera, podrs analizar y disear
sistemas de refrigeracin e inyectores de calor. Te dars cuenta de que el diseo debe
promover el mximo aprovechamiento de la exerga de los sistemas, ya que las energas
renovables hasta el momento son aprovechadas parcialmente, con eficiencias relativamente
bajas. De modo que resulta primordial el desarrollo de sistemas de potencia y refrigeracin con
eficiencias muy altas para disminuir las prdidas energticas y econmicas.
Por otra parte, la presente unidad te prepara para las asignaturas de los mdulos 3 y 4 donde
disears sistemas industriales ms especficos y especializados. Sin los conceptos de esta
unidad ser muy difcil que logres desarrollarte adecuadamente en asignaturas posteriores
donde tendrs que desarrollar sistemas industriales aprovechadores de energas renovables,
porque invariablemente, en algn momento, tendrs que acoplar dispositivos productores de
potencia de vapor y/o gas, as como refrigerantes, a los sistemas de energas renovables.
Propsitos
Analizar y disear, a travs de la primera y segunda ley de la termodinmica, aplicados a los
ciclos termodinmicos, sistemas de gas y vapor productores de potencia, as como sistemas de
refrigeracin.
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Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Competencia especfica
Disear ciclos termodinmicos de procesos industriales simples mediante el uso de ciclos de potencia y de refrigeracin para precisar la eficiencia en el consumo energtico.
2.1. Ciclos de potencia
La mayora de los sistemas industriales que convierten, ya sea calor o energa almacenada en
un combustible en trabajo til, emplean fluidos como sustancias de trabajo. Una forma de
clasificar tales sistemas es de acuerdo a la manera en que la sustancia de trabajo cambia de
fase. As, tendremos sistemas productores de potencia que trabajan con gas y otros que
trabajan con sustancias que son vaporizadas o condensadas. Los ciclos de potencia de dichos
sistemas se pueden encontrar en diversos sistemas industriales llamados motores. Como
ejemplos de ellos, podemos nombrar los motores de los automviles o camiones, las turbinas
de los aviones o las turbinas de un generador hidroelctrico.
En este tema, se analizarn los ciclos de potencia de gas, vapor y combinados que son
comnmente encontrados en los sistemas industriales.
2.1.1. Ciclos de gas
Antes de iniciar el anlisis de los ciclos termodinmicos, presentaremos algunos conceptos de
ingeniera que nos permitan familiarizarnos con el lenguaje necesario para comprender los
tpicos siguientes.
La mayor aplicacin de los ciclos de gas reside en los motores de combustin interna que van
desde los motores alternos como el motor de gasolina, hasta las turbinas de gas. Comencemos
por analizar los ciclos aplicables a los motores alternos de combustin interna. Hay dos tipos,
los de ignicin por chispa y los de ignicin por compresin. En los primeros, una mezcla de
combustible y aire se enciende por medio de un arco elctrico provocado por una buja.
Mientras que en los segundos, el aire es comprimido a una presin y temperatura
suficientemente altas como para que ocurra una combustin espontnea mientras se inyecta el
combustible. Debido a su ligereza y bajo costo, los motores de ignicin por chispa son utilizados
en automviles a diferencia de los motores de ignicin por compresin que son requeridos
cuando la economa del combustible es necesaria y cuando se necesita una gran potencia
como en los camiones, autobuses, locomotoras y barcos, (Moran y Shapiro, 2008).
El motor de combustin interna es un dispositivo que recibe calor a una alta temperatura debido
a la quema de un combustible dentro del motor. El combustible generalmente es un
hidrocarburo como gasolina, queroseno o Diesel, aunque tambin se utilizan combustibles
como gas LP, gas natural u otros. Generalmente, el combustible es mezclado dentro del motor
con aire que se queman rpidamente de modo que los gases producto de la combustin estn
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a temperatura y presiones altas. Este proceso no es propiamente una transferencia de calor
desde un reservorio a temperatura alta, sino que es una liberacin de energa qumica provocan
un incremento en la temperatura y presin de la mezcla dentro del motor. Debido a esto, la
mezcla caliente se expande produciendo trabajo o potencia. Finalmente, los productos de la
combustin se expulsan una vez que disminuyeron su temperatura y presin pudindose
interpretar este proceso como un flujo de calor hacia un depsito de calor a temperatura baja,
(Rolle, 2005).
Aunque el funcionamiento del motor de combustin interna es general, cada uno de ellos difiere
en el proceso que utiliza para su operacin. Dichos procesos pueden ser aproximados por
medio de ciclos termodinmicos especficos que describiremos a continuacin, mostrando un
diagrama de cada motor. Sin embargo, primero definiremos el sistema de inters en un motor
de este estilo.
Anlisis de aire estndar
Como podr anticiparse, las variables involucradas en el proceso que se lleva a cabo dentro de
un motor real de combustin interna son muchas y, el proceso mismo, es muy complejo. El
sistema de inters es la mezcla de aire y combustible iniciales que son quemados para generar
los productos de la combustin como aire, vapor de agua, CO2 y otros. Hay intercambio de
masa en el proceso y adems, las paredes de la camisa del pistn y el pistn mismo, no estn
compuestos de paredes adiabticas. Sin embargo, podemos analizar el proceso del motor por
medio de simplificaciones que debemos tener en cuenta al momento de obtener valores
numricos de los parmetros del proceso. Es muy probable que estos difieran de los valores
reales. A pesar de la simplificacin de los procesos involucrados en los motores de combustin
interna ser de gran utilidad el anlisis que hagamos de este proceso porque permitir
investigar la influencia de las principales variables de operacin en el rendimiento de un motor.
Por lo tanto, estos modelos son una herramienta muy importante en los anlisis de sistemas
industriales, pero es justo aclarar que a veces son excesivamente cualitativos.
Ya hemos comentado que el motor opera con una mezcla de aire y combustible, lo que no
hemos mencionado es que el mayor componente de la mezcla es aire, sobre todo en los ciclos
de turbinas de gas. Aplicaremos un anlisis de aire estndar en el que se hacen las siguientes
suposiciones:
1. La sustancia de trabajo se comporta como un gas ideal y est compuesto
exclusivamente de aire durante todo el proceso que se realice.
2. Todo proceso de combustin que tenga lugar en la realidad, se sustituye por una
transferencia de calor proveniente de una fuente externa.
Aunque en un proceso real de este tipo, el sistema es abierto porque se desechan los
productos de la combustin y se inyectan nuevas sustancias de trabajo, por lo que la sustancia
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
de trabajo se renueva constantemente. Pero para el anlisis de aire estndar se hace la tercera
y ltima suposicin:
3. La sustancia de trabajo es la misma en todo el proceso y se utiliza repetidamente, por lo
tanto no hay intercambio de masa.
De la primera suposicin, de inmediato se advierte que los calores especficos de la sustancia
de trabajo son constantes y es comn emplear los valores correspondientes al aire a
temperatura ambiente. Dicha suposicin aunada a las tres anteriores dan lugar al denominado;
anlisis de aire frio estndar. Pero para mejorar la aproximacin de los valores numricos a los
proceso reales, en ocasiones es conveniente considerar la variacin de los calores especficos
con la temperatura y adems, utilizar los datos publicados de los productos de combustin de
combustibles de hidrocarburos. No obstante, nosotros solo utilizaremos el anlisis de aire
estndar.
Ciclo de Carnot
En la asignatura de Termodinmica I se analizaron con detalle los procesos cclicos y en
particular, el ciclo de Carnot. Sin embargo, es necesario volver a exponer brevemente estos
conceptos porque los estaremos utilizando constantemente y sin una comprensin profunda de
ellos, ser imposible seguir adelante.
Recordemos que un proceso es cualquier transformacin de un sistema termodinmico de un
estado a otro, tal como lo menciona Wark (1984) y que si el estado inicial es idntico al estado
final, entonces decimos que el proceso es cclico. Sin temor a equivocarnos, podemos decir que
el ciclo de Carnot es el ms importante debido a su utilidad terica, porque de l se puede
obtener una expresin para la eficiencia trmica de un proceso cclico que en el caso del ciclo
de Carnot es
donde Tf y Tc son las temperaturas de los depsitos de calor frio y caliente, respectivamente.
Adems, en el curso de Termodinmica I se dedujo que no hay eficiencia mayor que la de un
proceso de Carnot operando entre depsitos a las mismas dos temperaturas. Pero antes de
seguir, recordemos cmo es el ciclo de Carnot.
El ciclo de Carnot est compuesto de dos procesos isotrmicos y dos procesos adiabticos,
todos ellos reversibles, dispuestos de tal manera que forman un ciclo cuya grfica en los
diagramas PV y TS se muestran abajo.
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Diagramas PV y TS para un ciclo de Carnot.
En el proceso 1-2 hay una expansin isotrmica de gas que conlleva a un suministro de calor
Qc y una produccin de trabajo realizado por el sistema. En 2-3 se le permite al sistema
expandirse pero esta vez adiabticamente por lo cual, el flujo de calor es cero. En la expansin
el sistema realiza trabajo nuevamente. En el proceso 3-4 se necesita realizar trabajo sobre el
sistema para comprimirlo isotrmicamente con la salida adicional de calor Qf. Finalmente, en 4-
1 se comprime nuevamente al sistema con un trabajo realizado sobre ste hasta alcanzar el
estado inicial 1. El rea dentro del ciclo es el trabajo neto realizado por el sistema. En el
diagrama TS el ciclo de Carnot tiene una forma ms simple donde el calor Qc entra por la recta
horizontal superior y sale calor Qf por la recta horizontal inferior. El calor neto suministrado al
sistema es el rea del rectngulo. Una mquina en la que su sustancia de trabajo realice un
ciclo de Carnot, se denomina mquina de Carnot.
El ciclo de Carnot es reversible mientras que un proceso real no lo es y tal como se coment
antes, la eficiencia de cualquier proceso es menor o igual a la de Carnot. Para procesos reales
es estrictamente menor. Entonces, cul es la utilidad del ciclo de Carnot? Antes de responder
a esta pregunta consideremos las condiciones que se deben cumplir para aproximarse a la
eficiencia de Carnot. En primer lugar, se deben carecer de efectos disipativos como la friccin y
en segundo, la temperatura del sistema (el fluido) debe ser constante a lo largo de los procesos
de suministro (o extraccin) de calor. Es claro que en la prctica es imposible cumplir estas dos
condiciones y por lo tanto, la eficiencia de cualquier mquina real tiene eficiencia menor a la
mquina de Carnot que opere en las mismas temperaturas. Sin embargo, la eficiencia de una
mquina de Carnot con aire estndar como sustancia de trabajo, es el punto de referencia
importante para comparar otras mquinas. Adems, todo proceso de una mquina real ser
aproximado por un proceso ideal reversible.
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Motor alterno de combustin interna
Componentes el pistn-cilindro del motor alterno. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
Es conveniente en este momento introducir algunos trminos utilizados en la ingeniera sobre
motores y con este fin consideremos la figura de arriba. Para comenzar, un motor de
combustin interna de pistn alternante, o motor alterno de combustin interna, consiste en un
pistn que se mueve dentro de un cilindro provisto de dos vlvulas. Se denomina calibre del
cilindro al dimetro del mismo. La carrera es la distancia que recorre el mbolo en una
direccin. Se dice que el pistn est en el punto muerto superior (PMS) cuando est en la
posicin de volumen mnimo del gas dentro del cilindro y este volumen mnimo se llama
volumen libre del claro. A la regin del cilindro que contiene al gas se nombra cmara de
combustin o de compresin y cuando el pistn est en la posicin de tal manera que el
volumen de la cmara de compresin sea mximo, se dice que se encuentra en el punto muerto
inferior (PMI). El volumen desplazado por el pistn al recorrer la distancia de carrera desde el
PMS hasta el PMI es el volumen de desplazamiento o cilindrada. Otro parmetro importante
referente a los volmenes del cilindro es la razn de compresin r que se define como el
cociente entre el volumen del PMI y el volumen del PMS, es decir
Adems de la razn de compresin, un parmetro adicional muy til para caracterizar la
productividad de un motor alternante productor de energa mecnica es la presin media
efectiva (PME) que se define como la presin promedio que, si actuara durante toda la carrera
de expansin, producira una salida de trabajo igual al trabajo neto realizado por el proceso
cclico real (o idealizado). De esto se puede deducir que el trabajo efectuado en un ciclo es
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( )(calibre) carrera
( ) cilindrada
En motores alternantes de tamao comparable, un valor mayor de la PME es indicativo de un
mejor rendimiento en trminos de potencia producida. El texto de Wark (1984) presenta un
ejemplo muy ilustrativo referente a la PME.
Es conveniente analizar esquemticamente el proceso real que ocurre en un motor alternante
de combustin interna para despus hacer las aproximaciones necesarias y encontrar su
correspondiente ideal. Para ello, consideremos un motor de cuatro tiempos donde su nombre
indica que ejecuta cuatro carreras dentro del cilindro por cada dos revoluciones del rbol de
levas1. La siguiente figura muestra un diagrama PV de un ciclo de un motor alternante. Con
ayuda de esta y basados en el texto de Shapiro (2008), explicaremos el funcionamiento del
motor.
Diagrama PV de un motor alterno de combustin interna. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
1 Un rbol de levas es un mecanismo formado por un eje provisto de piezas mecnicas (levas) sujetas a l cuyas
formas son especiales y son orientadas de diferente manera para activar, empujar, mover o tocar diferentes
mecanismos a intervalos repetitivos como por ejemplo, vlvulas, pistones, etc. En esencia, un rbol de levas es un
temporizador mecnico cclico.
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
El proceso consta de los siguientes pasos:
1. Con la vlvula de admisin abierta, el pistn ejecuta una carrera de admisin para
introducir aire fresco al cilindro, o en el caso de los motores de ignicin por chispa, se
inyecta una mezcla de aire y combustible.
2. Con las dos vlvulas cerradas, el pistn lleva a cabo una carrera de compresin
aumentando la temperatura y presin de la carga. Lo anterior requiere de trabajo, que es
realizado por el pistn sobre el contenido del cilindro. n el caso de los motores de
ignicin por chispa, casi al final de la carrera de admisin comienza el proceso de
combustin por medio de la chispa. n el caso de los motores de ignicin por
compresin, la combustin ocurre espontneamente debido a la inyeccin de
combustible, casi al final de la carrera de admisin y contina a lo largo de la primera
parte de la expansin
3. La temperatura y presin elevadas que se consiguieron con la ignicin provocan una
expansin llamada carrera de potencia, durante la cual la carga realiza trabajo sobre el
pistn a medida que ste regresa al I.
4. ntonces, el pistn realiza una carrera de escape en la cual los gases quemados son
purgados del cilindro a travs de la vlvula de escape abierta.
Ciclo de Otto
El ciclo de Otto es el que mejor se ajusta al motor de cuatro tiempos de ignicin por chispa que
es adecuado para la produccin de cantidades relativamente pequeas de trabajo. La figura
arriba mostrada que esquematiza el ciclo de un motor de cuatro pasos real puede simplificarse
para llegar al ciclo de la figura abajo presentada.
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Diagramas PV y TS para un ciclo de Otto. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
El proceso 1-2 representa la compresin adiabtica (carrera de admisin) del aire mientras el
pistn se mueve desde el PMI hasta el PMS. En este punto se asume que el aire fresco ya se
ha inyectado al cilindro. Se considera adiabtica la compresin porque esta se lleva a cabo tan
rpido que no hay tiempo suficiente para que haya una transferencia de calor significativa a
travs de las paredes del cilindro o del pistn. Lo anterior corresponde al paso 1 del proceso
real. En el proceso 2-3 hay una transferencia rpida de calor desde una fuente de calor externa
mientras el pistn se encuentra en el PMS. Por ello, este proceso se considera a volumen
constante. En realidad lo que ocurre es la ignicin de la mezcla de aire y combustible que se
lleva a cabo tan rpido que el volumen de la cmara de compresin se mantiene
aproximadamente constante. El proceso 3-4 es una expansin adiabtica debida al incremento
de la temperatura y presin del gas provocada por la combustin. La expansin ocurre tan
rpido que podemos hacer las mismas suposiciones hechas para el proceso 1-2. El proceso 4-
1 completa el ciclo liberando calor hacia el exterior cuando se abre la vlvula de escape de
manera sbita. Durante la parte violenta de la purga (inmediatamente que se abre la vlvula), el
pistn permanece en la PMS de modo que puede suponerse que el proceso se lleva a cabo a
volumen constante. Si se utilizar la misma sustancia de trabajo en todo el proceso, aqu se
podra comenzar el ciclo de nuevo. Sin embargo, no es as, porque se deben sustituir los
productos de la combustin e introducir aire fresco y nuevo combustible para que el ciclo
reinicie. Esto lo completa el proceso 1-5 que termina de eliminar los productos de la
combustin con un decremento del volumen de la cmara de compresin pero esta vez a
presin constante, la atmosfrica. Una vez en 5, se cierra la vlvula de escape y se abre la
vlvula de admisin para comenzar la inyeccin de la mezcla hasta alcanzar el punto 1 a
presin atmosfrica, proceso 5-1. Ahora s, el motor est listo para otro ciclo.
Los procesos 1-5 y 5-1 se realizan a volmenes ligeramente distintos pero para fines prcticos
coinciden sus valores. Es por ello que el trabajo y calor generados en uno son anulados por el
otro, ya que se realiza de manera inversa. Por lo tanto, podemos omitir estos dos procesos en
el anlisis del ciclo para finalmente llegar al ciclo de Otto mostrado abajo y compuesto de los
siguientes pasos:
1. Compresin adiabtica isentrpica2 , 1-2
2. Suministro de calor a volumen constante proceso iscoro , 2-3
3. xpansin adiabtica, 3-4
4. Liberacin de calor isocora, 4-1
Al finalizar el anlisis del ciclo de Carnot se puntualiz que todo proceso de una mquina real
ser modelado por medio de un proceso reversible. Es entonces justificado el adjetivo
isentrpico al referirnos a procesos adiabticos, ya que para un proceso reversible, dQ = T dS
2 Recuerda que un proceso isentrpico es aquel donde la entropa permanece constante, mientras que uno
adiabtico es en el que no hay transferencia de calor.
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de donde se deduce que si no hay intercambio de calor entonces no hay intercambio de
entropa.
Una vez analizado el ciclo de Otto podemos determinar la eficiencia trmica del mismo. Lo
haremos basndonos en Wark (1984). Esta eficiencia se define como el cociente del trabajo
neto realizado en un ciclo y el calor aadido al sistema. Es decir,
donde Wneto es el trabajo neto realizado por el sistema y en un diagrama PV representa el rea
encerrada por el ciclo, mientras que Qc es el calor aadido al sistema desde la fuente a
temperatura alta. Para calcular el trabajo neto y el calor suministrado recurramos a la primera
ley de la termodinmica, E = Q - W donde se ha supuesto un sistema cerrado, por lo que el
incremento de energa solo se debe a un incremento de energa interna del gas. Entonces, U
= Q - W. En los procesos de expansin y compresin adiabticos, el calor es cero por lo que -W
= U, mientras que en los procesos iscoros, el trabajo es cero, ya que dW = pdV, as que Q =
U en este caso. Calculemos el trabajo por medio de los calores de entrada y salida. Para ello,
utilizaremos el anlisis de aire fro estndar lo que implica que el aire se toma como gas ideal
cuya energa interna es U = U0 + mcvT, obteniendo
( )
( )
y como el trabajo neto del proceso cclico completo es simplemente Q2-3 + Q4-1, porque la
energa interna del sistema considerado como gas ideal, es una funcin solo de la temperatura,
por lo tanto, en un ciclo U = 0. Entonces
( ) ( )
( )
(
)
Ahora, V2 = V3 y V1 = V4. Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos y satisfacen las relaciones
(
)
(
)
(
)
con = cp/cv. De aqu se deduce que T2/T1 = T3/T4 o T4/T1 = T3/T2. Sustituyendo este resultado
en la ecuacin para la eficiencia del ciclo de Otto con aire frio estndar obtenemos
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(
)
donde r es la relacin de compresin del ciclo ideal. Esta ecuacin indica que los parmetros
principales en el control de la eficiencia de un ciclo de Otto son, la relacin de compresin y la
razn de los calores especficos. En general, la eficiencia trmica crece con la razn de
compresin lo cual nos invita a pensar que para mejorar la eficiencia de un ciclo de Otto
debemos aumentar la razn de compresin. Sin embargo, esto no es del todo cierto ya que la
dependencia de la eficiencia con la razn de compresin se vuelve constante a partir de cierto
lmite. En el caso de aire frio estndar, a razones de compresiones mayores a 10, la eficiencia
ya no aumenta significativamente. En la prctica, la razn de compresin est limitada por la
aparicin de pre-ignicin o de bamboleo del motor cuando dicha razn alcanza valores mayores
a 10, si se utilizan combustibles comunes de hidrocarburos. Otra manera de modificar la
eficiencia sera variando la razn de las capacidades calorficas de la sustancia de trabajo. Por
ejemplo, gases monoatmicos ideales poseen una razn de sus calores especficos mientras
que gases poliatmicos tienen razones de calores especficos menores. Entonces, sera
conveniente utilizar gases monoatmicos como sustancias de trabajo. Desafortunadamente, el
aire utilizado junto con la presencia de dixido de carbono, vapor de agua y otras molculas
poliatmicas, hace imposible la obtencin de razones de los calores especficos ms elevados.
Wark (1984) menciona como tomar en cuenta la variacin del valor de la razn de calores
especficos con respecto del aire a las temperaturas correspondientes, por medio de tablas y en
Rolle (2005), hace una muy buena comparacin entre el ciclo de Otto ideal y uno real.
Para concluir con el ciclo de Otto debemos comentar que el combustible comnmente utilizado
en estos motores es la gasolina cuyos productos de combustin ya se mencionaron y dan
razones de compresin bajas con respecto al motor Diesel que veremos a continuacin.
Ciclo Diesel
Un motor Diesel es otro ejemplo de motores de combustin interna, parecido al motor de Otto
pero con la diferencia de que opera con razones de compresin ms altas. Otra diferencia con
el motor de Otto es que la ignicin no se provoca con chispa sino por medio de un incremento
en la temperatura por arriba de la auto-ignicin de la mezcla combustible-aire. Es decir, el motor
Diesel es de combustin interna de ignicin por compresin. Ahora, si al inicio de la carrera de
compresin se introduce el aire junto con el combustible, como se hace en el motor de Otto, la
mezcla comenzara la combustin en cuanto alcance la temperatura de ignicin sin tener control
sobre el inicio y duracin del proceso de combustin. Para salvar esta dificultad, el combustible
se inyecta independientemente del aire cuando el pistn est cerca del PMS. Podemos
entonces decir que ambos motores difieren principalmente en el mtodo para lograr la
combustin y en el ajuste de la sincronizacin del proceso de combustin. El resto del ciclo del
motor de cuatro tiempos Diesel es similar al ciclo del motor de Otto.
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La idealizacin del motor Diesel corresponde al ciclo Diesel cuyos procesos son los siguientes:
1. Compresin adiabtica similar a la del ciclo de Otto, 1-2
2. Suministro de calor a presin constante proceso isobrico , 2-3
3. xpansin adiabtica, 3-4
4. Liberacin de calor isocora, 4-1
El suministro de calor en 2-3 puede considerarse isobrico porque muy cerca del PMS se
inyecta el combustible a presin cercana a la del punto 2. Como en estas condiciones la mezcla
ya est a temperatura de ignicin, se produce la misma inmediatamente sin modificar el
volumen de la cmara de compresin. La siguiente figura muestra el ciclo ideal de un motor
Diesel en los diagramas PV y TS.
Diagramas Pv y Ts para un ciclo Diesel. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
Antes de calcular la eficiencia del ciclo Diesel, es conveniente invitarte a revisar los conceptos
de trabajo y calor, ya que debemos calcularlos para procesos iscoros e isobricos. En el curso
de Termodinmica I se abordaron estos temas pero si tienes problemas con recordarlos puedes
consultar cualquier fuente citada en esta unidad.
De nuevo, la eficiencia trmica es T = Wneto/Qc, donde hay que calcular el trabajo neto y el calor
suministrado por el depsito caliente. Para un proceso cclico el estado inicial y final es el
mismo, el incremento de la energa interna es cero. Por otro lado, el sistema se considera
cerrado como en el caso del ciclo de Otto, as que la primera ley de la termodinmica E = Qneto
+ Wneto se expresa como U = 0 = Qneto + Wneto. Por lo tanto, Wneto = - Qneto, pero Qneto = Qc Qf
de manera que la eficiencia se transforma en
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
donde Qc y Qf son el calor entrante de la fuente caliente y el calor saliente hacia la fuente fra,
respectivamente. Por otro lado, en el ciclo Diesel el calor entra en el proceso 2-3 y sale en el
proceso 4-1 y es aqu donde hay que calcular estas cantidades. En el proceso 2-3 la primera ley
de la termodinmica se escribe
El proceso 2-3 se realiza a presin constante por lo que el trabajo se puede calcular
directamente como
( )
Despejando el calor Q2-3 se tiene
( ) ( )
El calor liberado en el proceso 4-1 ya fue calculado en el ciclo de Otto y es Q4-1 = U4 U1,
dando una expresin para la eficiencia del ciclo Diesel
Ahora, solo basta calcular los incrementos de energa interna y entalpa de los procesos, pero el
de energa ya lo hicimos dando u4 u1 = cv(T4 T1). Mientras que l incremento de entropa lo
calculamos utilizando el anlisis de aire estndar donde se considera un gas ideal. En estas
condiciones H = H0 + CpT o en trminos de cantidades especficas, h = h0 + cpT, por lo tanto, la
eficiencia se puede escribir como
( )
( )
( )
( )
Haciendo un desarrollo anlogo al de la eficiencia del ciclo de Otto y definiendo la relacin de
corte como rc = V3/V2, se puede demostrar que la eficiencia del ciclo Diesel resulta
[
( )]
De la ltima relacin podemos notar que la eficiencia del ciclo Diesel depende, adems de la
razn de compresin, de la razn de corte y de la razn de las capacidades calorficas. La
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eficiencia de un ciclo Diesel difiere de la eficiencia de un ciclo Otto por el factor entre corchetes
cuadrados que se puede demostrar que siempre es mayor o igual a la unidad de donde se
deduce que la eficiencia de un ciclo Diesel es menor o igual que la del ciclo de Otto con la
misma relacin de compresin. En la prctica, un aumento en la relacin de corte tiene un
fuerte efecto en la eficiencia trmica del ciclo Diesel con aire estndar. Por esta razn, los
fabricantes de motores de ignicin por compresin tienden a disearlos ms parecidos a un
motor de Otto. Una manera de lograr esto es por medio de un ciclo muy particular que es
utilizado ampliamente en los actuales motores de combustin interna de ignicin por
compresin, el ciclo dual mostrado en la figura de abajo que describiremos brevemente a
continuacin.
Diagramas Pv y Ts para un ciclo dual. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
Este ciclo ideal es una combinacin del ciclo de Otto y el ciclo Diesel que aade un punto ms
de referencia entre el proceso 2-3 del ciclo de Otto (o del ciclo Diesel). En este punto, el ciclo
realiza tanto el proceso de inyeccin de calor de manera isocora propia del ciclo de Otto, como
el proceso de expansin isobrica correspondiente del ciclo Diesel. Se puede demostrar tal
como lo menciona Shapiro, (2008) que dice que la eficiencia de un ciclo dual es
( ) ( )
( ) ( )
donde Tx representa el nuevo punto de referencia para introducir los dos procesos. Tambin, se
puede expresar la eficiencia del ciclo dual en trminos de la relacin de corte r = V3/Vx = V3/V2 y
de la relacin de presin a volumen constante durante el proceso x-2 que se define como rp =
Px/P2 = P3/P2, dando como resultado (Wark, 1984)
[
( ) ( )]
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 17
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Si rp es igual a la unidad, la eficiencia del ciclo dual se reduce a la correspondiente para el ciclo
Diesel. De manera similar, si la relacin de corte es igual a la unidad, la eficiencia del ciclo dual
se reduce a la eficiencia del ciclo de Otto.
En comparacin, para la misma entrada de calor y la misma razn de compresin, la eficiencia
trmica de los tres ciclos disminuyen en el orden siguiente: ciclo de Otto, ciclo dual y ciclo
Diesel. Es por esta razn que los motores actuales se disean ms parecidos al ciclo Otto o
dual que al Diesel.
Ciclo de Brayton
Al inicio de la presente seccin se mencion que haba varios tipos de motores de combustin
interna, desde los motores alternantes hasta los motores de turbina de gas. En la primera parte
de esta seccin se analizaron los motores alternantes, ahora nos avocaremos al anlisis de las
turbinas de gas, dejando para el subtema de ciclos combinados el anlisis de las turbinas de
gas-vapor.
Las turbinas de gas se han convertido en un dispositivo productor de potencia muy popular
debido a la proporcin favorable potencia de salida-peso de estos motores, as como su
operacin ms suave y el incremento en la capacidad de mantenimiento. La aplicacin de este
motor principalmente se da en el rea del transporte (por ejemplo, aviones de propulsin,
plantas de potencia martimas, etc.). Las turbinas de gas tambin son utilizadas comnmente
en plantas generadoras estacionarias.
Las turbinas de gas pueden ser de dos tipos, de rgimen abierto y cerrado. Las de uso ms
comn son las primeras pero la idealizacin es ms sencilla para las de rgimen cerrado. La
figura presentada a continuacin muestra un esquema de ambos regmenes.
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 18
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Esquema de funcionamiento de la turbina de gas simple de (a) rgimen abierto y (b) rgimen
cerrado. Fuente: basado en Shapiro, (2008).
Pero comencemos con el anlisis del funcionamiento de las turbinas de rgimen abierto. En
este motor se inyecta aire de la atmsfera continuamente hacia un compresor rotatorio o axial
que eleva considerablemente la presin del aire de manera adiabtica. Despus, el aire entra a
una cmara de combustin (o combustor) en la que es mezclado con combustible para
quemarse a presin constante, generando productos de combustin a una alta temperatura.
Enseguida, estos productos se expanden a travs de una turbina descargndolos a los
alrededores por lo que la presin final, en este paso corresponde a la atmosfrica. Parte del
trabajo desarrollado por la turbina se emplea en la operacin del compresor y el resto se
emplea para generar electricidad, para impulsar un vehculo o para otros propsitos. Como
puede notarse, en realidad este motor no trabaja realmente en un ciclo, ya que el aire entra
continuamente a l y es expulsado del mismo, sin lograr un restablecimiento de la sustancia de
trabajo para dejarla en el estado inicial. A pesar de ello, a este rgimen suele llamarse de ciclo
abierto.
La turbina de rgimen cerrado difiere del anterior en la manera que la sustancia de trabajo
recibe calor y en que sta sustancia si regresa al estado inicial. En la parte (b) del esquema del
motor de turbina de gas, la sustancia de trabajo recibe calor desde una fuente externa, por
ejemplo de un reactor nuclear. El gas saliente de la turbina se transfiere a un intercambiador de
calor para ser enfriado antes de reingresar al compresor. Este es el motor que analizaremos
primero por medio de la aproximacin de su ciclo ideal, el ciclo de Brayton. Como antes,
utilizaremos un anlisis de aire estndar (ver seccin anterior si necesita repasar el anlisis de
aire estndar) y es justificada la simplificacin, ya que en la prctica, los combustibles
comnmente utilizados (principalmente hidrocarburos) tienen proporciones con respecto a la
masa del aire de 50:1. De nuevo, se debe tener cuidado con los valores de los parmetros que
se obtendrn de este anlisis porque pueden diferir significativamente con los del motor real. No
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 19
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
obstante, con el anlisis de aire estndar se puede ilustra muy bien el funcionamiento del motor
de turbina de gas de manera cualitativa.
En concordancia con el anlisis de aire estndar, se asume que el intercambio de calor,
generado posiblemente por la combustin de la mezcla, se realiza a travs de una fuente
externa. Con estas suposiciones, el ciclo que se realiza es el siguiente:
1. Se inyecta aire a temperatura ambiente al compresor en el estado 1 mientras se
comprime, proceso 1-2 en la siguiente figura, por medio de un eje de paletas puestas de
manera inversa a la de la turbina de salida. De aqu que reciba el nombre de turbina
inversa. sto incrementa la presin y temperatura del aire pero la compresin es tan
rpida que resulta plausible ignorar las prdidas de calor hacia los alrededores por
medio de las paredes del compresor. or lo tanto, el proceso 1-2 se lleva a cabo de
manera adiabtica.
2. l aire pasa al combustor o, en otras configuraciones, al intercambiador de calor. n
ambos casos dichos dispositivos se idealizan por medio de una fuente externa de calor.
l combustor es bsicamente una cmara abierta por la que fluye el aire a medida que
se quema. l flujo de aire y combustible es aproximadamente estacionario, por lo que se
puede asumir que este proceso se realiza a presin constante.
3. l aire o productos de la combustin sale del compresor a gran velocidad realizando
una expansin que podemos considerar adiabtica debido la rapidez del flujo que no
permite un intercambio de calor con los alrededores. La presin al final de este proceso
es muy cercana a la inicial atmosfrica. ara producir la potencia propia del motor, el
aire a temperatura y presin elevadas, salen del combustor por una boquilla de dimetro
pequeo y esto provoca un incremento significativo de la velocidad del flujo. l aire
incide sobre las paletas de la turbina llamada turbina impulsora y provoca el giro rpido
del eje de las paletas.
4. Despus de producir el trabajo requerido, el aire pasa a una cmara a presin
constante, donde intercambia calor con los alrededores hasta alcanzar la temperatura
inicial y est listo para realizar un nuevo ciclo.
Al ciclo descrito anteriormente se puede simplificar con el objeto de realizar un anlisis, al
menos cualitativo, de un motor de turbina de gas. El ciclo ideal que se ajusta a este tipo de
motores es el ciclo de Brayton (figura mostrada enseguida) que consta de los siguientes pasos:
1. Compresin adiabtica o isentrpica , 1-2
2. Suministro de calor a presin constante proceso isobrico , 2-3
3. xpansin adiabtica o isentrpica , 3-4
4. Liberacin de calor a presin constante proceso isobrico , 4-1
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Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Diagramas Pv y Ts para el ciclo de Brayton. Fuente: basada en Shapiro, (2008).
Ahora estamos en condiciones de calcular la eficiencia del ciclo de Brayton. En la primera
unidad se obtuvo la expresin de la primera ley de la termodinmica en trminos de cantidades
especficas h + ke + pe = q - wsist. En los procesos isentrpicos 1-2 y 3-4, q = 0. Si adems,
se desprecian los efectos de la energa potencial, el balance energtico para los proceso 1-2 y
3-4 se reduce a h + ke = - wsist o particularmente,
(
)
(
)
En una turbina real, la diferencia entre las velocidades de entrada y salida no son
considerables. Por lo tanto, se pueden despreciar los efectos de la energa cintica de modo
que las ecuaciones anteriores se reducen a
( )
( )
En los proceso isobricos 2-3 y 4-1, el balance energtico es h = q - w ignorando los efectos
de la energa cintica. As, para estos procesos tenemos
donde ya se han despreciado los efectos de la energa cintica. El trabajo isobrico de los
procesos 2-3 y 4-1 no debe incluirse porque se realiza contra la atmsfera y ya est
considerado en la entalpa, as que
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 21
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
del mismo modo
( )
Para calcular la eficiencia debemos conocer el trajo neto realizado por el sistema y el calor de
entrada. Por una parte,
( ) ( )
( ) ( )
Y por otra parte, el calor de entrada es qentra = q2-3. Por lo tanto, la eficiencia trmica del ciclo de
Brayton es
( ) ( )
( )
Ahora bien, recordemos que estamos utilizando un anlisis de aire estndar en el cual, la
sustancia de trabajo se considera como gas ideal. Ya hemos advertido que en este caso, la
entalpa toma la forma h = h0 + cpT. Sustituyendo esta expresin en la eficiencia del ciclo de
Brayton se tiene
( )
( )
[
]
An podemos modificar esta expresin para escribir la eficiencia en trminos de la razn de
presin. Para ello, utilizaremos el anlisis de aire frio estndar donde se asume un gas con
capacidades calorficas constantes a temperatura ambiente. En este caso, se puede demostrar
que un proceso adiabtico cumple la relacin p = cte. Aplicando esta expresin a los estados
inicial y final de los proceso 1-2 y 3-4 se llega a
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 22
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
(
)( )
(
)( )
Notemos que p2 = p3 y p1 = p4, por lo que de inmediato se deduce que T4/T1 = T3/T2 y la
eficiencia del ciclo de Brayton queda
Aplicando de nuevo la primera de las ecuaciones anteriores y recordando que la razn de
presiones rp = p1/p2, se llega a la expresin deseada para la eficiencia trmica del ciclo de
Brayton
( )
Como podemos notar de la ecuacin precedente, se podra incrementar la eficiencia al
aumentar la temperatura de la cmara de combustin, pero esto no es factible en la prctica
debido a las limitaciones metalrgicas en la construccin del motor. El lmite de temperatura alta
a la que puede operar una turbina es de 1700 K. No obstante, hay otra manera de hacer ms
eficiente este ciclo. De la ltima ecuacin se puede ver que la eficiencia de un ciclo Brayton
ideal de aire estndar frio depende de la razn de presiones a lo largo del compresor. Un
incremento de esta razn provoca un incremento en la eficiencia, lo que se traduce en una
diferencia de presiones que debe generar el compresor. Por una parte, aunque en efecto, esto
hace ms eficiente el ciclo, el trabajo neto desarrollado por la turbina es menor que otro con
menor razn de compresin. Por consiguiente, debemos sacrificar eficiencia por potencia. Por
otra parte, si construimos dos turbinas trabajando entre las mismas temperaturas, para que
ambos realicen el mismo trabajo, la de mayor relacin de compresin, y por lo tanto, mayor
eficiencia, debe tener un flujo de masa mayor. Esto provoca que el motor tenga dimensiones
muy grandes, cosa que no es deseable para vehculos pequeos. Para verificar lo dicho,
puedes hacer un diagrama TS del ciclo de Brayton y convencerte por ti mismo de lo anterior.
Ciclos regenerativos
Como complemento a esta seccin, describiremos brevemente y sin mayor formalidad, algunas
modificaciones al ciclo de Brayton utilizado en las turbinas, que aumentan la eficiencia total del
motor.
Las turbinas de gas de rgimen abierto operan de manera tal que la temperatura de salida de la
turbina, comnmente es mucho mayor que la temperatura de entrada. Es posible aprovechar el
calor del gas de salida para calentar el gas de entrada disminuyendo el calor neto que la fuente
externa debe inyectar a la turbina. Como la inyeccin de calor se lleva a cabo en el combustor,
es aqu donde hay que aprovechar este calor. Al incrementar la temperatura de la corriente de
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 23
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
salida del compresor, que es la temperatura de la corriente de entrada del combustor, se
necesita menos combustible para iniciar realizar la ignicin. Esto es anlogo a disminuir la
cantidad de calor que la fuente externa del ciclo de Brayton suministra a la sustancia de trabajo
que hemos visto, tiene implicaciones importantes en la eficiencia del motor. A la tcnica de
extraccin de calor de la corriente de salida para el reciclaje hacia el motor se le llama
calentamiento regenerativo, por ello, a una turbina que opere con un dispositivo para este fin
se le denomina turbina regenerativa. El ciclo ideal utilizado para modelar este tipo de turbinas
es nombrado ciclo regenerativo. La siguiente figura muestra un esquema de la configuracin
de este tipo de dispositivos.
Esquema del funcionamiento del ciclo regenerativo de Brayton. Fuente: basado en Rolle, (2005).
El compresor se conecta al intercambiador de calor de contraflujo donde se calienta por el calor
proveniente de la corriente de salida de la turbina. La corriente ya caliente pasa al combustor
donde se quema para continuar con el proceso normal de la turbina de gas. La corriente de
salida de la turbina se desva al intercambiador de calor para calentar la corriente de entrada
del combustor.
Para el anlisis de la turbina regenerativa, se considera que el intercambiador de calor es
reversible y la transferencia de calor se puede representar en un diagrama TS, como el rea
bajo la curva del proceso como en la figura de abajo. A decir verdad, los diagramas pV y TS
para esta turbina regenerativa son iguales aparentemente que para la turbina normal. La
diferencia radica en la manera de inyectar el calor y esto se puede indicar en estos diagramas.
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 24
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Diagrama Ts para un ciclo regenerativo de turbina de gas. Fuente: basada en Wark, (1984).
Si el proceso de calentamiento regenerativo es reversible, el flujo de calor que sale de la
corriente de escape de la turbina debe ser igual al calor que suministra a la corriente de salida
del compresor. Por lo tanto, las dos reas sombreadas en la figura anterior son iguales. Es
decir, Q2-x = Q4-5. En principio, debera ser posible calentar la corriente de salida del compresor
hasta la temperatura de la corriente de salida de la turbina. En Shapiro (2008), hay una
demostracin cualitativa de este hecho. En la prctica, estos calores no son iguales debido a
las irreversibilidades del intercambiador de calor, haciendo que se pierda algo en la
transferencia. Es por ello que en la figura citada la temperatura de los puntos x y 4 no coinciden.
Como describe Wark (1984), una manera de evaluar la prdida de calor del proceso de
recalentamiento, es por medio de la efectividad del regenerador definida como
transferencia real de calor
mxima transferencia de calor posible
La temperatura que corresponde a hx es menor que la que corresponde a h4. Considerando el
reciclado de calor por parte del regenerador, la eficiencia trmica del ciclo regenerativo es
Aplicando el anlisis de aire estndar, se puede demostrar que esta eficiencia puede
transformase en
( )
Y al mismo tiempo, la efectividad resulta
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 25
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
As mismo, Wark (1984) comenta sobre la dependencia de la eficiencia trmica del ciclo
regenerativo lo siguiente.
La eficiencia trmica del ciclo regenerativo disminuye al aumentar la relacin de las
presiones para un valor fijo de T3/T1 ara aumentar la eficiencia trmica el valor de
Tx debe ser lo ms grande posible, porque la entrada de calor se reduce pero el trabajo
neto no cambia Aumentarla la eficiencia ms all de este valor usualmente 0.7 para
turbinas de gas estacionarias) conduce generalmente a costos de equipos que invalidan
cualquier ventaja de la eficiencia trmica mayor. Adems, una mayor eficiencia
(efectividad del regenerador) requiere una mayor rea para la transferencia de calor, lo
que conduce a una mayor cada de presin en el regenerador que produce una prdida
en la eficiencia del ciclo (eficiencia trmica del ciclo regenerativo).
Rolle (2005), calcula con poco detalle la eficiencia trmica del ciclo regenerativo. Te recomiendo
que repitas estos clculos pero con mayor detalle. Tambin te invito a que deduzcas las
expresiones para la eficacia del regenerador dependiente de las temperaturas y la eficiencia
trmica del ciclo regenerativo, T,regen.
Existen otras modificaciones al ciclo regenerativo que puedes consultar en Shapiro (2008),
donde se tratan otros dispositivos que se aproximan por medio del ciclo de Brayton como los
motores de propulsin y cohetes.
Actividad 1. Cul es el ciclo correcto?
Ya que te has empapado un poco con la terminologa de motores y ciclos, ests en condicin
de realizar la primera actividad de la unidad.
Para motivar tu creatividad y capacidad de investigacin, te invitamos a realizar esta
actividad. Debes elegir algunos sistemas productores de potencia (motores, turbinas, plantas
generadoras de electricidad, etc.), de refrigeracin y/o bombas de calor para describirlos e
investigar qu ciclo termodinmico se aplica a en cada caso.
Las reglas son las siguientes:
1. Elige de entre los sistemas mencionados arriba, tres que consideres interesantes y
que seas capaz de entender y luego explicar. Te sugiero elegir sistemas comunes
con los que tienes contacto en la vida diaria y si acaso eres aventurado, uno ms
complejo y novedoso.
2. Investiga el funcionamiento general de los sistemas que elegiste y descrbelo contus
propias palabras. Trata de elaborar un glosario con los trminos nuevos, propios del
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 26
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
rea de la ingeniera que aparezcan en tu investigacin.
3. Analiza, los dispositivos que elegiste y encuentra el proceso cclico (o no cclico)
simplificado que corresponda a cada sistema. Debes identificar cada parte del
proceso ideal o simplificado con su correspondiente proceso real.
4. Guarda tu reporte con la nomenclatura de TER2_U2_A1_XXYZ.
5. Enva tu trabajo al Facilitador(a) por medio de la herramienta Tarea y espera su
retroalimentacin.
Al elegir tus sistemas procura no comprometerte al considerar sistemas muy complejos. Pero
tampoco elijas sistemas muy simples o tratados ampliamente en la bibliografa.
* Recuerda que tu documento no debe exceder los 4 MB.
Al concluir, estars en condiciones de analizar varios ciclos que idealizan otros tantos
motores de combustin interna.
2.1.2. Ciclos de vapor
Al inicio de la presente unidad, se mencion la importancia de estudiar sistemas generadores
de exerga o potencia, y en el apartado previo se trataron sistemas que trabajan con ciclos de
potencia de gas. En el presente subtema, analizaremos sistemas que utilizan ciclos de potencia
de vapor para su funcionamiento. La aplicacin ms importante de estos dispositivos es la
produccin de potencia elctrica porque gran parte de la electricidad generada comercialmente,
es producida por plantas motrices de vapor. Los combustibles fsiles o nucleares, proporcionan
la energa para producir el vapor que se conduce hacia la turbina de vapor de un generador
elctrico. Ya se trate de combustibles fsiles o nucleares, las plantas de potencia de vapor
utilizan el mismo principio bsico de funcionamiento, el ciclo de vapor. Este ltimo difiere del
ciclo de gas discutido en el apartado anterior, en que la sustancia de trabajo se presenta en dos
fases de la materia durante el ciclo. A continuacin, se describir el funcionamiento bsico de
los sistemas de potencia de vapor pero antes te sugerimos repasar los diagramas de fase de
sustancias puras vistos en la asignatura de Termodinmica I porque sern indispensables en
esta seccin. Tambin lo puedes revisar en el texto de Rolle, (2005).
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 27
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Planta de potencia de vapor
Esquema de una planta generadora de potencia de vapor simple. Fuente: basada en Shapiro,
(2008).
La figura anterior muestra un esquema de los componentes bsicos de una planta de potencia
de vapor que utiliza combustibles fsiles. El subsistema A es el encargado de transformar el
calor en trabajo til y por lo tanto, es el objeto de estudio de este subtema. Es por ello que lo
dejaremos a un lado por el momento para describir el resto de la planta.
El subsistema B provee la energa necesaria para vaporizar el agua que pasa por la caldera. En
plantas que utilizan combustibles fsiles, esto se hace por medio de la transferencia de calor
desde gases calientes producidos por la quema del combustible hacia la sustancia de trabajo,
que pasa por tuberas y contenedores en la caldera. En plantas nucleares, la energa es
proporcionada por reacciones nucleares controladas que tienen lugar en el reactor dentro de un
edificio asilado. Las plantas solares tienen receptores que concentran y recolectan la radiacin
solar que vaporiza la sustancia de trabajo. El vapor generado en B pasa a travs de una turbina
en A donde se expande, disminuyendo su presin. El eje de la turbina se conecta a un
generador elctrico representado por el subsistema D. El vapor que abandona la turbina pasa
por un sistema de tuberas que transportan agua fra. Aqu se condensa en las paredes de las
tuberas. Esta parte de la planta se llama condensador y corresponde al subsistema C. En la
planta del diagrama, el agua caliente es enviada a una torre de enfriamiento en la cual, el calor
recolectado en el condensador, es liberado a la atmsfera. Entonces, el agua es recirculada
hacia el condensador.
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 28
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Ahora consideremos el subsistema A responsable de, como ya se mencion, transformar el
calor suministrado por la caldera en trabajo til aprovechado por la turbina. Comenzaremos por
explicar su funcionamiento general para as poder representarlo por medio de algn ciclo
termodinmico. La figura mostrada a continuacin representa un esquema de la operacin de la
turbina de vapor tpica.
Esquema de una tpica turbina de vapor cerrada. Fuente: basado en Rolle, (2005).
1. Lquido saturado agua proveniente del condensador es bombeado hacia la caldera
consiguiendo una elevada presin. Adems de que se procura aislar todas las tuberas
que transportan al lquido, el proceso se lleva a cabo de manera rpida. s por ello que
podemos decir que el lquido realiza una compresin adiabtica.
2. n la caldera, el lquido recibe una cantidad de calor que provoca el calentamiento del
mismo hasta llevarlo al estado de lquido saturado. Como se le sigue inyectando calor el
lquido se vaporiza a travs de una transicin de fase a presin constante. Una vez que
todo el lquido se ha transformado en vapor, comienza a elevar su temperatura y
presin, aunque esta ltima no se modifica demasiado por lo que podemos considerar
todo el proceso como isobrico. La caldera se considera la fuente externa de calor.
3. l vapor proveniente de la caldera, el cual tiene una elevada presin y temperatura, se
expande a travs de la turbina produciendo trabajo a la vez que se descarga hacia el
condensador a relativa baja presin. Como en el paso 1, el proceso es tan rpido que no
hay tiempo de intercambio de calor con los alrededores por lo que el proceso es
aproximadamente adiabtico.
4. n el condensador existe un flujo de calor del flujo de escape de la turbina hacia el agua
fra que fluye en una corriente separada. l vapor disminuye su temperatura hasta llegar
al estado de vapor saturado. Contina el intercambio de calor haciendo que el vapor se
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 29
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
condense a temperatura y presin constantes. Contina la condensacin hasta que se
llega al estado de lquido saturado. n este punto, el sistema est listo para realizar un
nuevo ciclo.
Como puede notarse, en el proceso presentado anteriormente se hacen algunas suposiciones
que ayudan al anlisis del proceso completo pero no son suficientes. Es por ello que debemos
hacer suposiciones adicionales para facilitar el anlisis del proceso. Una de ellas es la de
asumir que no hay intercambio de calor entre los diversos componentes de la planta y sus
alrededores. Adems, debemos considerar que todos los componentes del sistema trabajan en
estado estacionario y despreciaremos los efectos de las energas, cintica y potencial.
Finalmente, consideraremos que todos los procesos involucrados son reversibles.
Ciclo de Rankine
Con las suposiciones anteriores, el proceso de la subunidad de la planta de poder de vapor se
puede simplificar al siguiente ciclo mostrado en la figura de abajo
Diagramas PV y Ts para el ciclo de Rankine. Fuente: basado en Rolle, (2005).
1. Compresin adiabtica y por lo tanto, isentrpica del lquido agua , 1-2
2. Suministro isobrico de calor para transformar el lquido en vapor, 2-3
3. xpansin adiabtica e isentrpica del vapor a baja presin, 3-4
4. Liberacin isobrica de calor para condensar el vapor, 4-1
En consecuencia, el ciclo de vapor descrito, consta de dos procesos adiabticos y dos procesos
isobricos con la particularidad de que los ltimos involucran una transicin de fase de la
sustancia de trabajo en los puntos a y b. El ciclo ideal que mejor se ajusta a este proceso cclico
es el ciclo de Rankine y ntese que es el mismo ciclo que el ciclo de Brayton salvo que en el
primero, la sustancia de trabajo se presenta en dos fases a lo largo del proceso. Como en los
ciclos de gas, es conveniente ahora calcular la eficiencia de este proceso. Para tal propsito,
debemos determinar el balance energtico del ciclo completo.
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 30
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Tomando un volumen de control alrededor de la bomba, un balance de energa por medio de la
primera ley de la termodinmica para volumen de control establece que q w = h, porque
hemos despreciado los efectos de las energas cintica y potencial. De la relacin anterior,
directamente obtenemos el trabajo adiabtico (isentrpico) que desarrolla la bomba en 1-2
Mientras que el trabajo isobrico del proceso 2-3 no debe incluirse porque se realiza contra la
atmsfera y ya est considerado en la entalpa. Utilizando el balance de energa para este
proceso se obtiene que
( )
Como en el proceso 1-2, el trabajo adiabtico (isentrpico) en el proceso 3-4 es
Mientras que el balance energtico del proceso 4-1 es similar al correspondiente del proceso 2-
3 arrojando
( )
Con este balance podemos ahora calcular la eficiencia ( = wneto/qentra) del ciclo de Rankine
identificando al calor entrante con el calor del proceso 2-3. De este modo, la eficiencia trmica
es
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
Invirtiendo la diferencia del numerador, obtenemos finalmente que la eficiencia trmica del ciclo
de Rankine
( )
( )
Notemos que esta eficiencia es la misma que la del ciclo de Brayton, como deba ser, ya que el
ciclo se compone de los mismos procesos. En este caso ya no es tan sencillo ni deseable
expresar la eficiencia en trminos de razones de compresin o de presin debido a la transicin
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Energas renovables 31
Termodinmica II
Unidad 2. Ciclos termodinmicos
de fase que impide utilizar el modelo de gas ideal para el anlisis. Lo que podemos hacer para
calcular la eficiencia en este caso, es consultar las tablas de propiedades termodinmicas del
vapor. Aunque, s es posible expresar la eficiencia de este ciclo en trminos de temperaturas
como en el caso de los ciclos de gas. Se puede demostrar tal como lo presenta Shapiro, (2008)3
que la eficiencia trmica del ciclo de Rankine tambin puede escribirse como
donde Tf es la temperatura (fra) promedio a la que se cede el calor y TC la temperatura
(caliente) promedio a la que se inyecta el calor. La eficiencia del ciclo de Rankine as
expresada, es similar a la eficiencia del ciclo de Carnot, salvo los valores promedio de las
temperaturas en el primero.
Cuando se analizaron las turbinas de gas, se mencion que gran parte del trabajo de salida de
la turbina es utilizada por el compresor que inyecta el aire al combustor. En las plantas de vapor
ocurre algo similar. Parte del trabajo de salida es requerido por la bomba que suministra agua a
la caldera. Pero a diferencia de las turbinas de gas, en las plantas de vapor, la bomba no
requiere tanto trabajo. Esto se debe a que se necesita ms trabajo para comprimir un lquido,
con el mismo incremento de presin, que un gas. Te dars cuenta fcilmente al revisar un
diagrama PV del agua y recordando que el trabajo es el rea bajo la curva que representa un
proceso, por ejemplo, isotrmico.
Por otra parte, analizando diagramas Ts del ciclo de Rankine, se puede mostrar que un
incremento en la presin de la caldera incrementa la eficiencia trmica del ciclo de Rankine.
Mientras que una disminucin de la presin del condensador por su parte, es la que incrementa
esta eficiencia. Sin embargo, existe un valor lmite de las presiones de la caldera y el
condensador como veremos a continuacin. (Shapiro, 2008, y/o Wark, 1984).
El calor de salida del ciclo de Rankine se transfiere desde el vapor que se condensa hacia agua
(o aire) a temperatura ambiente con valores entre 15C y 30C. Para mantener una adecuada
transferencia de calor, la diferencia de temperaturas entre el vapor y el agua a temperatura
debe estar entre los 10C y 15C. Por lo tanto, la temperatura mnima del vapor que se condesa
debe encontrarse entre 25C y 45C. Si se consultan las tablas de vapor saturado, las
presiones de saturacin correspondiente a este intervalo de temperatura deben hallarse entre
0.03 y 0.10 bar, las cuales son muy bajas pero alcanzables en las plantas de vapor actuales.
3 En el texto citado se encuentra la expresin T,Rankine== 1 - Tf/Tc cuya diferencia con la que presentamos radica en
la temperatura de salida a la fuente fra. Para el clculo de la eficiencia, Shapiro utiliza un ciclo que no abandona (por la derecha) de la regin de transicin de fase por lo que el proceso 4-1 se lleva a cabo isotrmicamente. Por esta razn, la temperatura de salida (Tf) no es la promedio. Mientras que nosotros consideraos un proceso donde 4-1 si abandona la regin de transicin, provocando una variacin de la temperatura en una parte de este proceso. De aqu que aparezca la temperatura promedio Tc.
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Unidad 2. Ciclos termodinmicos
Por otra parte, aunque la disminucin de la presin de escape de la turbina mejora la eficiencia
trmica del ciclo de Rankine, tiene la gran desventaja de aumentar el contenido de humedad
(hecho conocido en el mbito de la ingeniera como disminucin de la calidad) del mismo,
disminuyendo la eficiencia de una turbina real. Adems, las gotitas de lquido que se forman
debido al incremento de humedad del flujo de escape, provocan un serio problema de erosin
en las paletas de la propia turbina.
Tambin se puede mejorar la eficiencia trmica del ciclo de Rankine al elevar la temperatura
promedio del flujo de admisin la turbina, Tc, hecho que puede verificarse al revisar la ltima
expresin para la eficiencia trmica del ciclo de Rankine. Este aumento de temperatura y la
disminucin de la humedad del flujo de escape de la turbina pueden conseguirse mediante la
implementacin de un sobre-calentador. Este dispositivo provoca un aumento isobrico de
temperatura en el flujo de admisin de la turbina porque el flujo de escape de la caldera ingresa
a otra seccin de suministro de calor que mantiene la presin casi constante. De nuevo, hay un
valor lmite para la temperatura que puede alcanzar el flujo de admisin de la turbina y se debe
principalmente a restricciones metalrgicas Los valores para esta temperatura lmite van desde
540C a 600C. En Wark (1984) se ampla esta discusin incluyendo diagramas Ts que ayudan
a concluir que la eficiencia mejora debido al aumento de la temperatura mencionada.
Ciclo de Rankine con recalentamiento
Como se menciona en el apartado previo, se pude aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine
por medio de un sobre-calentador que incrementa la temperatura promedio del flujo de
admisin de la turbina. Como menciona Wark (1984):
Se puede conseguir una mejora equivalente en la temperatura promedio durante el proceso
de suministro de calor si se aumenta la presin mxima del ciclo, es decir, la presin de la
calderaSin embargo, para una temperatura fija mxima fija en el generador de vapor
(caldera), un aumento en su presin produce una disminucin de la calidad del vapor
(incrementa la humedad) que sale de la turbina.
Ya se coment que este problema provoca la erosin de las paletas de la turbina por lo que no
podemos hacer uso de lo anterior para mejorar la eficiencia del ciclo. Sin embargo, hay una
manera de aprovechar los incrementos de presin que aumentan la temperatura promedio del
flujo de salida de la caldera. Es a travs del ciclo de Rankine con recalentamiento, o
simplemente ciclo de recalentamiento.
La operacin de la seccin encargada de la generacin de la potencia en planta de potencia de
vapor con recalentamiento consta de los siguientes pasos
1. Lquido saturado agua proveniente del condensador es bombeado hacia la caldera
consiguiendo una elevada presin. Adems de que se procura aislar todas las tuberas
que transportan al lquido, el proceso se lleva a cabo de manera rpida. s por ello que
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podemos decir que el lquido realiza una compresin adiabtica. s igual al paso 1 del
apartado de lanta de potencia de vapor .
2. n la caldera, el lquido recibe una cantidad de calor que provoca el calentamiento del
mismo hasta llevarlo al estado de lquido saturado. Como se le sigue inyectando calor el
lquido se vaporiza a travs de una transicin de fase a presin constante. Una vez que
todo el lquido se ha transformado en vapor, comienza a elevar su temperatura y
presin, aunque esta ltima no se modifica demasiado por lo que podemos considerar
todo el proceso como isobrico. La caldera se considera la fuente externa de calor. s
igual al paso 2 del apartado de lanta de potencia de vapor .
3. l vapor proveniente de la caldera, el cual tiene una elevada presin y temperatura, se
expande parcialmente a travs de la turbina produciendo trabajo a la vez que se
recolecta para ser enviado de vuelta a la caldera. La expansin parcial provoca un
decremento en la temperatura y presin pero el estado alcanzado en este paso es muy
cercano a la curva de saturacin de vapor, por lo que el flujo sigue siendo vapor. l
proceso es tan rpido que no hay tiempo de intercambio de calor con los alrededores
por lo que el proceso es aproximadamente adiabtico.
4. l vapor expandido parcialmente en la turbina es conducido de nuevo a la caldera donde
es recalentado hasta una temperatura un poco menor que la temperatura de la caldera.
l proceso se lleva a cabo a presin considerada constante.
5. l vapor recalentado, de elevada presin y temperatura, proveniente de la caldera, se
ingresa nuevamente a la turbina para su expansin completa, produciendo trabajo a la
vez que se descarga hacia el condensador a relativa baja presin. l proceso se
considera adiabtico por la misma razn que en el paso 3.
6. n el condensador existe un flujo de calor del flujo de escape de la turbina hacia el agua
fra que fluye en una corriente separada. l vapor disminuye su temperatura hasta llegar
al estado de vapor saturado. Contina el intercambio de calor haciendo que el vapor se
condense a temperatura y presin constantes. Contina la condensacin hasta que se
llega al estado de lquido saturado. n este punto, el sistema est listo para realizar un
nuevo ciclo. s igual al paso 4 del apartado de lanta de potencia de vapor .
Como puede observarse, el ciclo de recalentamiento es muy similar al ciclo de Rankine simple
solo con una modificacin que tiene grandes repercusiones en la eficiencia trmica de la planta
de vapor. En el ciclo simple, el flujo que sale de la caldera pasa a la turbina para su expansin
completa y despus ingresa al condensador. Mientras que en el ciclo de recalentamiento, el
flujo mencionado se expande parcialmente y se reingresa a la caldera para recalentarse y solo
entonces se expande por completo a travs de la turbina. Este proceso de operacin se puede
simplificar en el siguiente ciclo que se muestra esquemticamente en la figura de abajo
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Diagramas TS y Pv para el ciclo de recalentamiento. Fuente: basada en Shapiro, (2008).
1. Compresin adiabtica y por lo tanto, isentrpica del lquido agua , 1-2
2. Suministro isobrico de calor para transformar el lquido en vapor, 2-3
3. xpansin parcial adiabtica e isentrpica , 3-4
4. Suministro isobrico de calor para recalentar el vapor, 4-5
5. xpansin adiabtica a baja presin, 5-6
6. Liberacin isobrica de calor para condensar el vapor, 6-1
Ya conocido el ciclo ideal de la planta de potencia de vapor con recalentamiento, podemos
realizar un balance energtico con el objeto de calcular la eficiencia trmica de este ciclo, el
ciclo de Rankine con recalentamiento. En secciones anteriores se han utilizado procedimientos
similares para obtener la eficiencia de los ciclos, por lo que esta vez se omitirn los detalles y te
invitamos a desarrollar los clculos que llevan a la expresin de la eficiencia que se presenta.
Como antes, se desprecian los efectos de las energas cintica y potencial.
El trabajo adiabtico del proceso 1-2 es
El calor que se inyecta a la sustancia de trabajo, ahora es el debido a los procesos 2-3 y 4-5.
Por lo tanto qc = q2-3 + q4-5, y al aplicar el balance de energa correspondiente concluimos que
( ) ( )
Como en el caso del proceso 1-2, el trabajo adiabtico del proceso 3-4 y 5-6 es
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Mientras que el balance energtico del proceso 6-1 es similar al correspondiente del proceso 2-
3 arrojando
( )
Ahora estamos en condiciones de calcular la eficiencia trmica que es = wneto/qentra.
Considerando que wneto = w1-2 + w3-4 + w5-6, que qentra = qc, y sustituyendo las expresiones
anteriores se encuentra que la eficiencia del ciclo Rankine con recalentamiento es
( )
( )
A partir de esta expresin se dificulta encontrar la eficiencia trmica en trminos de las razones
de compresin o de presin como en el caso de Rankine simple. Por otra parte, debemos
puntualizar que se debe tener cuidado al elegir la trayectoria 4-5 correspondiente al
recalentamiento porque puede suceder que la temperatura promedio de este proceso sea
menor que la temperatura promedio del primer calentamiento (proceso 2-3). Esto provoca una
temperatura promedio del suministro completo de calor inferior, lo que implica una disminucin
de la eficiencia trmica. En otras palabras, el recalentamiento no necesariamente aumenta la
eficiencia del ciclo de Rankin simple. Sin embargo, si se elige bien el proceso 4-5, si es posible
mejorar la eficiencia trmica y adems, se elimina el problema de la mala calidad del vapor
(exceso de humedad) en la turbina, previniendo as la corrosin de la misma.
Ciclo regenerativo de Rankine
Ya se ha visto que una manera de mejorar la eficiencia es por medio del ciclo de
recalentamiento o por medio del sobrecalentamiento. El anlisis cualitativo de un diagrama Ts
permite determinar que tanto se incrementa el rendimiento del ciclo de Rankine simple. No es
mucha la ganancia en eficiencia comparado con los problemas tcnicos y econmicos que
deben resolverse. Sin embargo, cabe decir que las ventajas pueden rebasar a los problemas.
Pero hay otra manera de mejorar sustancialmente la eficiencia del ciclo de Rankine simple, y
por lo tanto, de las plantas de vapor de este tipo. Este mtodo no aumenta la presin ni
temperatura del flujo de entrada de la turbina. Este proceso recibe el nombre de ciclo
regenerativo de Rankine. Un dispositivo que utiliza este ciclo trabaja de manera similar a su
correspondiente que utiliza el ciclo de Rankine simple salvo que pareciera que realiza varios
ciclos en uno solo. La siguiente figura muestra un esquema del dispositivo con regeneracin de
dos estaciones de regeneracin.
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Esquema de funcionamiento de la planta con ciclo regenerativo. Fuente: basado en Rolle, (2005).
El proceso comienza con la compresin de aire inyectado hacia la cadera por medio de una
bomba. Aqu, el fluido es calentado hasta ser vaporizado y transferido a la turbina. Justo como
en la planta de potencia de vapor simple, las diferencias comienzan cuando el vapor ingresa a
la turbina porque una fraccin se extrae de la misma sin haber completado la expansin y es
desviada hacia un intercambiador de calor, mientras que la fraccin restante del vapor contina
con la expansin dentro de la turbina hasta llegar a una estacin de extraccin distinta donde
otra fraccin ms del vapor se desva hacia un nuevo intercambiador de calor. El flujo restante
termina la expansin en la turbina y despus se traslada al condensador donde se enfra y
condensa. Al concluir esta parte del proceso, el fluido lquido se comprime por medio de una
bomba, hacia la cmara que contiene al segundo intercambiador de calor. A esta cmara
tambin llega el fluido, mucho ms caliente, que fue desviado en la segunda estacin de
extraccin de la turbina, y cede calor al fluido proveniente del condensador. Los
intercambiadores pueden ser de dos tipos, abierto y cerrado. En el abierto se mezclan los dos
fluidos y en el cerrado intercambian calor sin mezclarse. Con la temperatura de ambos flujos,
mezclados o no, por encima de la temperatura del condensador, se inyectan al primer
intercambiador de calor, donde absorben calor del flujo proveniente de la primera estacin de
extraccin de la turbina. La inyeccin se lleva a cabo por medio de una (en el caso de
intercambiador abierto) o dos bombas (en el caso de intercambiador cerrado) que comprimen a
los flujos. Los flujos salientes de esta cmara (ya sea mezclados o por separado), se inyectan a
la caldera por medio de otra bomba que incrementan su presin, temperatura y estn listos para
comenzar de nuevo el proceso.
La turbina puede tener ms de dos estaciones de extraccin de vapor a lo largo de ella y cada
porcin del flujo realizar un proceso similar al descrito anteriormente y sirve para calentar el
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flujo proveniente del condensador. El nmero de estaciones de extraccin de la turbina es el
nmero de bombas extra e intercambiadores de calor que se necesitarn. El funcionamiento de
este dispositivo es complicado de describir en una secuencia de pasos lineales porque algunos
procesos involucrados se llevan a cabo de manera simultnea. Pero el funcionamiento general
puede englobarse en los siguientes pasos:
1. Lquido saturado agua proveniente del condensador es bombeado hacia la caldera
consiguiendo una elevada presin. Adems de que se procura aislar todas las tuberas
que transportan al lquido, el proceso se lleva a cabo de manera rpida. s por ello que
podemos decir que el lquido realiza una compresin adiabtica. s igual al paso 1 del
apartado de lanta de potencia de vapor .
2. n la caldera, el lquido recibe una cantidad de calor que provoca el calentamiento del
mismo hasta llevarlo al estado de lquido saturado. Como se le sigue inyectando calor el
lquido se vaporiza a travs de una transicin de fase a presin constante. Una vez que
todo el lquido se ha transformado en vapor, comienza a elevar su temperatura y
presin, aunque esta ltima no se modifica demasiado por lo que podemos considerar
todo el proceso como isobrico. La caldera se considera la fuente externa de calor. s
igual al paso 2 del apartado de lanta de potencia de vapor .
3. Una fraccin del vapor proveniente de la caldera, el cual tiene una elevada presin y
temperatura, se expande parcialmente a travs de la turbina produciendo trabajo a la
vez que se recolecta para ser enviado a un intercambiador de calor llamado calentador
de agua de alimentacin o simplemente, calentador de alimentacin. l resto del vapor
contina la expansin en la turbina. La extraccin temprana del flujo de la turbina se
hace cuando ste ha llegado al estado de saturacin de vapor. l proceso es tan rpido
que no hay tiempo de intercambio de calor con los alrededores por lo que el proceso es
aproximadamente adiabtico.
4. La fraccin del vapor restante se expande parcialmente a travs de la turbina
produciendo trabajo mientras que una fraccin ms del vapor se recolecta para ser
enviado a otro calentador de alimentacin. l fluido restante contina la expansin en la
turbina. l proceso es tan rpido que no hay tiempo de intercambio de calor con los
alrededores por lo que el proceso es aproximadamente adiabtico.5. l vapor que
concluy la expansin en la turbina contina con el proceso normal del ciclo de Rankine
hasta salir del condensador.
5. Al salir del condensador, el lquido se inyecta al intercambiador de calor por medio de
una bomba que incrementa la presin y temperatura de este fluido. Adems de que se
procura aislar todas las tuberas que transportan al lquido, el proceso se lleva a cabo de
manera rpida. s por ello que podemos decir que el lquido realiza una compresin
adiabtica.
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6. n el calentador de alimentacin, el vapor extrado tempranamente de la turbina
intercambia calor con el lquido proveniente del condensador provocando un aumento de
temperatura de este ltimo y una condensacin del anterior. Al salir del calentador de
alimentacin, los flujos tienen presiones y temperaturas similares. ste proceso se lleva
a cabo a presin constante.
7. n el segundo calentador de alimentacin, el flujo extrado tempranamente de la primera
estacin de extraccin de la turbina intercambia calor la mezcla de los flujos del
condensador y segunda estacin de extraccin, provocando un aumento de temperatura
de estos ltimos y una condensacin del anterior. Al salir del calentador de alimentacin,
los flujos tienen presiones y temperaturas similares. ste proceso se lleva a cabo a
presin.
8. Los flujos salientes del ltimo calentador de alimentacin, se inyectan a la caldera por
medio de una bomba que incrementa la presin y temperatura de este fluido. Como en
el paso 5, la compresin se lleva a cabo de manera adiabtica.
Como ya se mencion, el ciclo anterior puede incluir ms de dos intercambiadores, as como
ms de una estacin de extraccin de vapor de la turbina. El esquema presentado en la figura
anterior cuenta con 2 calentadores de alimentacin y por lo tanto, con 2 estaciones de
extraccin de vapor de la turbina. El ciclo completo puede resumirse en los siguientes procesos
mostrados en la figura de abajo.
Diagramas TS y PV para el ciclo regenerativo. Fuente: basado en Rolle, (2005).
1. Compresin adiabtica y por lo tanto, isentrpica del fluido, 1-2.
2. Suministro isobrico de calor para transformar el lquido en vapor, 2-3.
3. xpansin parcial adiabtica e isentrpica del flujo de admisin de la turbina, 3-4.
3.1. Liberacin isobrica de calor para condensar la fraccin de flujo extrada en 4, 4-1.
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4. xpansin parcial adiabtica e isentrpica del flujo de admisin de la turbina sin la
fraccin extrada en 4, 4-5.
4.1. Liberacin isobrica de calor para condensar la fraccin de flujo extrada en 5, 5-9.
5. xpansin adiabtica e isentrpica del flujo de admisin de la turbina sin la fraccin
extrada en 4 y 5, 5-6.
6. Liberacin isobrica de calor para condensar la fraccin final de flujo saliente en 5, 6-7.
7. Compresin adiabtica de la fraccin final del flujo saliente en 5, 7-8.
8. Suministro isobrico de calor para elevar la temperatura de la fraccin final de vapor
saliente en 5, 8-9.
9. Compresin adiabtica, de la fraccin final de vapor saliente en 3 ju