Ejemplos de máquina térmica son: los motores de combustión interna, las plantas de potencia de vapor, entre otras.

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1 TERMODINÁMICA II Unidad : Ciclos de potencia y refrigeración Objetivo: Estudiar los ciclos termodinámicos de potencia de vapor UNEFA Ext. La Isabelica Ing. Petroquímica 5to Semestre Materia: Termodinámica II Docente: Yurbelys Contreras Los dispositivos o sistemas empleados para producir una salida de potencia neta reciben el nombre de máquinas térmicas, y los ciclos termodinámicos en los que operan se denominan ciclos de potencia. MÁQUINAS TÉRMICAS Las máquinas térmicas convierten el calor suministrado en trabajo y se caracterizan por: a) recibir calor de una fuente a alta temperatura, b) convertir parte de este calor en trabajo, c) rechazar el calor de desecha a un sumidero de baja temperatura, d) sistema cerrado que operar en forma cíclica usando un fluido de trabajo. Ejemplos de máquina térmica son: los motores de combustión interna, las plantas de potencia de vapor, entre otras. Eficiencia o rendimiento térmico η: es la cantidad de calor trasformado en trabajo, y se define como el cociente entre el trabajo neto (, ), efectuado por la máquina térmica y el calor absorbido por ésta ( ). Es un valor adimensional que se expresa en porcentaje y va entre 0 y., Recapitulando, este enunciado se puede también interpretar como: ninguna maquina térmica puede tener una eficiencia o rendimiento térmico de 00%. CICLO DE CARNOT A mediados del siglo XIX, el ingeniero Francés Sadi Carnot, ideó un ciclo, conocido ahora como Ciclo de Carnot, con el cual se define los limites teóricos máximo que puede funcionar una máquina térmica entre dos reservorios de energía, para ello se establece el motor o máquina térmica de calor que opera con procesos reversibles, por lo tanto, es un ciclo reversible; si el ciclo se invierte se convierte en una máquina refrigeradora de Carnot. Los procesos a través de los cuales se desarrolla el ciclo para un motor de Carnot son:. Expansión isotérmica reversible, suministro de calor desde una fuente a alta temperatura. 2. Expansión adiabática reversible. 3. Compresión isotérmica reversible, rechazo de calor hacia un sumidero de baja temperatura. 4. Compresión adiabática reversible.

2 Eficiencia de Carnot: Combinando la definición de eficiencia o rendimiento térmico visto anteriormente con la ra ley de la termodinámica para ciclos resulta: Para cualquier máquina de Carnot (motor, refrigerador o bomba de calor) se cumple que: (escala absoluta de temperatura) Donde T H y T L son las temperaturas de la fuente y el sumidero respectivamente, estas temperaturas son absolutas y deben expresarse en Kelvin. Sustituyendo la definición de temperatura absoluta en la eficiencia resulta: Para conocer el máximo rendimiento que se puede obtener de una máquina térmica real, se calcula el de una máquina de Carnot que trabaje entre los mismos niveles de temperaturas que la máquina real, en general se tiene que:!"! #$%&! ' $!"! #$%&! ( $)*+#$%&! CICLO DE POTENCIA DE VAPOR En estos ciclos el fluido de trabajo se evapora y consensa de forma alternativa, recordemos que el ciclo de Carnot es ideal y no puede lograrse en los dispositivos reales, además de no ser un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor. CICLO DE RANKINE El ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor se conoce como ciclo de Rankine, formulado por el científico escoces William John Macquorn Rankine ( ), este ciclo al ser ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos: -2 Compresión isentrópica 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isentropica 4- Rechazo de calor a presión constante Ahora bien, para los ciclos reales de generación de potencia por vapor se deben tener presentes las irreversibilidades en ciertos componentes, las más comunes son: la fricción del fluido y las pérdidas de calos hacia los alrededores, la primera ocasiona caída de presión en la caldera, el condensador y las tuberías. Respecto a la perdida de calor del vapor hacia los alrededores crea la necesidad de trasferir más calor hacia el vapor de la caldera disminuyendo la eficiencia. Las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y de la turbina son especialmente importantes. La desviación existente entre las bombas y turbinas reales de las ideales (isentrópicas) puede ser compensada utilizando eficiencias isentrópicas, definidas como:

3 ,-,,-,./0,-,. 2/ ,/,-,.,-,./ / Donde los estados 2real y 4real corresponde a los casos reales (con irreversibilidades) mientras que los estados 2isen y 4isen corresponde a los casos isentrópicos (ideal). Existen otros factores que influyen en los ciclos de potencia de vapor reales como por ejemplo, los cambios bruscos de temperatura en la bomba pueden causar daños a la misma, existen perdidas adicionales en los cojinetes ubicados en las partes móviles como consecuencia de la fricción, las fugas de vapor e ingreso de aire representan otras fuentes de perdida, así como la potencia que consumen los equipos auxiliares de la central. Ciclo de Rankine con recalentamiento: el rendimiento del ciclo ideal de Rankine se puede aumentar utilizando una zona de sobrecalentamiento. Este proceso eleva la temperatura media a la que el ciclo recibe el calor, aumentando teóricamente el rendimiento. En el ciclo con recalentamiento, el vapor de agua no se expande por completo en una sola etapa hasta la presión del condensador, es decir, el proceso de expansión sucede en dos etapas, en la primera etapa (la turbina de alta presión), el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se re calienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser: / :89 ; 6 : 4, 4, = 8 4, == :89 ; > : Así pues, la incorporación de un recalentamiento simple en una central eléctrica moderna mejora la eficiencia del ciclo en 4 o 5 por ciento, ya que se incrementa la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al vapor, recordando que el único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. Ciclo de Rankine ideal regenerativo: en este caso se busca aumentar la temperatura a la que se suministra calor al ciclo, para ello elevamos la temperatura del líquido que sale de la bomba (llamado agua de alimentación) antes de entrar a la caldera, una posibilidad es mediante un proceso de regeneración: extrayendo o drenando en varios puntos el vapor de la turbina, el dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación (CAA), estos pueden ser abiertos o cerrados:

4 Calentadores abiertos de agua de alimentación: también llamado de contacto directo, es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba, idealmente la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador. En un ciclo ideal de Rankine regenerativo o de una sola etapa, el vapor entra a la turbina a la presión de la caldera y se expande isentropicamente hasta una presión intermedia (estado 6), en este punto se extrae el vapor que ira al calentador de agua de alimentación, mientras el vapor restante continua su expansión isentrópica hasta la presión del condensador (estado 7) Vale la pena destacar que, el flujo masico del fluido de trabajo no será el mismo en la caldera que en el condensador, debido a la extracción por la regeneración, este aspecto del ciclo de Rankine regenerativo hay que tenerlo en cuenta para el análisis, pero como la masa se debe conservar, debe cumplirse que: ) 5 ) > 8) 2 En estos casos se usa la fracción de vapor extraído y, que para el caso de estudio es:? ) > ) ; 6 : 3 : 4, 9 ; > :89?:9 :,-,,,-,2 89?:,-,3 Calentadores cerrados de agua de alimentación: es este el calor se trasfiere del vapor extraído hacia el agua de alimentación son que suceda ninguna mezcla, las dos corrientes pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan. La mayor parte de las centrales de vapor utilizan una combinación de calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentación.

5 COGENERACIÓN Cogeneración significa producción simultánea de dos o más tipos de energía a partir de una misma fuente. Normalmente las energías generadas son electricidad y energía térmica (también llamada calor de proceso), aunque puede ser también energía mecánica y calor de proceso (y/o frío). La producción simultánea supone que puede ser utilizada paralelamente, lo que implica proximidad de la planta generadora a los consumos, en contraposición al sistema convencional de producción de electricidad en centrales termoeléctricas independientes, donde también se desprende calor, pero éste no es aprovechado y ha de ser eliminado al ambiente. Hay que recordar que la termodinámica obliga a la evacuación de una cierta cantidad de calor en todo proceso térmico de producción de electricidad, ya que todo el calor absorbido no puede transformarse en trabajo. El objetivo de la cogeneración es que no se pierda esta gran cantidad de energía. Con frecuencia se mide el comportamiento de un sistema de cogeneración en función de su rendimiento energético total o factor de utilización de la energía ε, como: #B&$CB C! D B%BE+ F!D+8GB&+ C! * +G!#+!FD!HBC+ A!FD BCB D+DB& C! GB&+ A 8 I7 Bajo condiciones normales de operación, algo de vapor se extrae de la turbina a cierta presión intermedia predeterminada P 6 el resto del vapor se extrae hasta la presión del condensador P 7 y después se enfría a presión constante, el calor rechazado por el condensador representa el calor de desecho en el ciclo. En los momentos de gran demanda de calor de proceso, todo el vapor se envía a las unidades de calentamiento de proceso mientras que nada se manda al condensador, 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 mediante una válvula de expansión, hasta la presión de extracción P 6, y se envía a la unidad de calentamiento de proceso. El máximo calentamiento de proceso se alcanza cuando todo el vapor que sale de la caldera pasa a través de la válvula de estrangulamiento, 9) 6 ) ;: de este modo, ninguna potencia se produce. Cuando no hay demanda de calor de proceso, todo el vapor pasa a través de la turbina y del condensador 9) ; ) > 0: y la central de cogeneración opera como una central ordinaria eléctrica de vapor. Referencia consultada: Cengel Y. y Boles M. (2002). Termodinámica. Quinta edición. McGraw Hill. Wark K y Richards D. (200). Termodinámica. McGraw-Hill, 6ta edición.