Ciclos Termodinamicos

CICLOS TERMODINAMICOS

Definición y clasificaciones.

Los ciclos termodinámicos son la aplicación más técnica de la termodinámica, ya que reproducen el comportamiento cíclico del fluido de trabajo de una máquina térmica durante el funcionamiento de ésta.

Es necesario indicar que los ciclos termodinámicos constituyen una referencia teórica, que a menudo no se corresponde con exactitud con la evolución real de un fluido en el interior de una máquina térmica, debido a muchas razones como son: las irreversibilidades de los procesos, las pérdidas de calor, las fugas másicas, las pérdidas de carga en los conductos, la heterogeneidad de los fluidos circulantes, y debido igualmente a otros fenómenos de compleja simulación. En este sentido puede afirmarse que los ciclos termodinámicos son los modelos matemáticos más sencillos, dentro del amplio espectro de modelos que pretenden simular el comportamiento de las máquinas térmicas.

Los ciclos termodinámicos pueden clasificarse de las siguientes formas:

- Ciclos directos y ciclos inversos. Los primeros son los de aplicación a máquinas térmicas, y recorren los diagramas típicos de representación ( p-v, T-s, h-s) en sentido horario. Los ciclos inversos son de aplicación a máquinas frigoríficas y recorren los diagramas típicos (p-h, h-s) en sentido anti horario.

- Ciclos para sistemas abiertos y ciclos para sistemas cerrados. Los primeros son de aplicación a máquinas de flujo continuo. Cada una de las máquinas que componen la instalación tiene una permanente renovación del fluido, aunque en su conjunto el sistema puede recircular el flujo por completo. Su representación gráfica más habitual son los diagramas T-s o h-s (y p-h si son inversos). Los ciclos para sistemas cerrados son de aplicación a máquinas de desplazamiento positivo, en las que el volumen de control se modifica a lo largo del propio ciclo. Suelen renovar el fluido en una etapa determinada del ciclo, y no de forma continua. Su representación más común es el diagrama p-v.

- Ciclos de fluido condensable y ciclos de fluido no condensable. En los primeros el fluido cambia de fase durante su evolución, de modo que durante un tramo del ciclo el fluido es líquido y en el otro es vapor. Debido a las características del fluido, suele recircularse éste por completo, y se aplican siempre a máquinas de flujo continuo. En los ciclos de fluido no condensable, el fluido (gaseoso) no cambia de fase. Pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. Esta última condición paradójica se refiere a que el gas, por haber sufrido una transformación química (proceso de combustión) se expulsa al final del ciclo al mismo tiempo que se renueva la carga con gas fresco. El ciclo, pues, se cierra de forma imaginaria para retornar a las condiciones termodinámicas iniciales. Los ciclos de fluido no condensable son de aplicación tanto en máquinas de flujo continuo como en máquinas de desplazamiento positivo.

CICLOS DIRECTOS PARA SISTEMAS ABIERTOS CON FLUIDO CONDENSABLE

Estos ciclos, como todos los que pueden definirse para sistemas abiertos, suelen trabajar entre dos niveles de presión claramente definidos, que se mantienen prácticamente constantes durante la circulación del flujo salvo ligeras pérdidas de presión provocadas por el rozamiento de éste con las paredes de los conductos, necesarios para conectar los distintos elementos de una máquina térmica de flujo continuo. Por eso se maneja como parámetro característico del ciclo la relación de compresión, rp, definida como el cociente entre las presiones extremas del ciclo.

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es un ciclo de interés en máquinas de fluido condensable, debido a que durante los procesos de evaporación y condensación del fluido las evoluciones isotermas que lo definen son al mismo tiempo evoluciones isóbaras. Precisamente esta condición de isóbaras, propia como ya se ha dicho de los procesos de circulación de flujos a lo largo de conductos, hace que el ciclo de Carnot se manifieste como un ciclo tecnológicamente alcanzable en máquinas de flujo continuo, con un interés teórico, aunque como se verá no exento de inconvenientes. En el caso de partir de un proceso de evaporación completo, el ciclo de Carnot se representa en la figura, en los principales sistemas de representación (se incluye el p-v por razones didácticas aun no siendo usual en esta aplicación).

El rendimiento de este ciclo, además de poder expresarse en función exclusivamente de las temperaturas de absorción y cesión de calor, puede expresarse en función de entalpías, ya que se identifican con incrementos de entalpía tanto los intercambios de calor (por ocurrir a presión constante), como los trabajos realizado o recibido por compresor o turbina (por ser usualmente los procesos adiabáticos y despreciables las variaciones de energía cinética)

El ciclo de Carnot presenta varios inconvenientes a la hora de llevarlo a la práctica, como son las grandes irreversibilidades que durante tanto al final de la expansión como al principio de la compresión provocaría la presencia de un flujo bifásico, o la dificultad de controlar una condensación parcial hasta la entropía de saturación del líquido a alta presión. Además, la necesidad de recibir calor en condiciones subcríticas condiciona los rangos de presión y temperatura del ciclo, lo que para algunas sustancias como el agua, cuya temperatura crítica es de 374.15 ºC, constituye una limitación importante. Por estas razones suelen utilizarse en instalaciones de potencia otros ciclos derivados del de Carnot, como los que se exponen a continuación.

CICLO DE RANKINE SIMPLE

Propuesto por el ingeniero escocés W.J.M. Rankine hacia 1860, el ciclo Rankine constituye el ciclo básico de funcionamiento de las turbinas de vapor, empleadas actualmente como grandes plantas de generación de potencia. Tal como se aprecia en la figura, se diferencia del ciclo de Carnot en que la condensación termina en condiciones de líquido saturado, por lo que la compresión puede realizarse por medio de una bomba hidráulica. Como consecuencia, el líquido saliente de ésta debe ser precalentado hasta su temperatura de ebullición antes de evaporarse.

El rendimiento de este ciclo es algo inferior al de Carnot, tal como puede apreciarse en el diagrama T-s, pero la etapa de compresión es mucho más fácil de realizar. El trabajo recibido por la bomba puede calcularse asumiendo el flujo como incompresible, es decir tomando el volumen específico del líquido constante.

Este ciclo comparte con el de Carnot las desventajas antes comentadas de irreversibilidades durante la expansión y de limitación de temperaturas máximas, y por tanto de rendimiento.

CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO

El recalentamiento consiste en prolongar la etapa de absorción de calor para producir un sobrecalentamiento del vapor saturado elevando su temperatura. En la práctica esto puede conseguirse en la misma caldera o en un sobrecalentador específico. El esquema más simple de una instalación con recalentamiento sería el de la figura. De esta forma, las limitaciones de temperatura máxima ya no son de tipo termodinámico sino que vienen impuestas por la resistencia térmica del material en contacto con el vapor en su punto de máxima temperatura, es decir, a la entrada de la turbina. El rendimiento de este ciclo es superior al del de Rankine simple, pues si se descompone el nuevo ciclo en ciclos diferenciales de Carnot, las temperaturas de los focos calientes de los ciclos añadidos son mayores, por lo que éstos contribuyen a incrementar el rendimiento. Además el rendimiento isoentrópico de la turbina se incrementa por encontrarse el vapor a la salida de la misma más seco. El rendimiento del ciclo en este caso vale:

CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

En un intento de mejorar aún más el rendimiento del ciclo, es posible realizar varios recalentamientos del vapor a diferentes presiones, para lo cual la turbina se descompone en dos o tres cuerpos (de alta y de baja presión, o de alta, media y baja presión respectivamente) unidos generalmente por un mismo árbol entre los cuales el vapor, en condiciones próximas a las de saturación, se dirige a recalentadores específicos integrados o no en la propia caldera. El calentamiento al que se somete el vapor en cada caso en condiciones de diseño suele apurarse hasta la máxima temperatura recomendada para el material de los álabes de entrada de los diferentes cuerpos de la turbina. Un esquema de un ciclo sencillo de turbina de vapor con recalentamiento se muestra en la figura, donde por ser un ciclo más real que los anteriores, se representa ya el incremento de entropía asociado a la expansión en la turbina que permite cuantificar el rendimiento isoentrópico. Otro esquema de la instalación correspondiente se muestra en la figura.

CICLO DE RANKINE CON REGENERACIÓN

Aunque la regeneración y los recalentamientos intermedios suelen coexistir en las grandes instalaciones de generación de potencia con vapor de agua, por razones didácticas se presenta a continuación un ejemplo de ciclo Rankine con regeneración(dos extracciones) pero sin recalentamiento (figuras). La regeneración consiste en extraer parte del vapor que se expansiona en la turbina con el fin de mezclarlo con el agua saliente del condensador y ahorrar así parte de la energía empleada en calentarla. Se consigue por tanto una reducción del calor aportado al fluido en la caldera, a costa de una pequeña reducción del trabajo

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