Termodinamica

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE TLAXCALA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS, INGENIERÍA Y TECNOLOGIA

Lic. Ingeniería Mecánica

Termodinámica

Ing. Roberto Carlos Cruz Becerril

Atenco López Josué

Ciclos de la termodinámica

“Mi mente crea mi realidad, mi realidad me lleva al éxito.”

Junio 2012.

Observaciones:

Ciclo

Ciclo Serie de fases por las que pasa un fenómeno periódico hasta que se reproduce una fase anterior.

Termodinámica

Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.

Ciclo termodinámico

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

CICLO DE VAPOR

Como introducción al tema de ciclos de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica relacionados con el ciclo de Carnot debido a su utilización como ciclo de referencia para evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de potencia de vapor Rankine, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr caracterizar el funcionamiento de una maquina térmica bajo el esquema de los ciclo termodinámicos.

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el Siguiente

Dado que la caldera opera a una presión más alta que la de descarga de la turbina (u otro expansor que se use), debe aumentarse la presión del fluido de trabajo antes de que retorne a la caldera. Por consiguiente, esta etapa requiere un gasto de trabajo. Este trabajo de compresión debe ser restado del trabajo producido por la turbina para determinar el trabajo neto obtenido de la máquina.

El ciclo idealizado que se ha desarrollado en el cual todos los procesos ocurren reversiblemente y que contiene etapas isotérmicas de absorción y extracción de calor y dos etapas isentrópicas, es llamado Ciclo Carnot. Según se demostrará en breve el ciclo de Carnot es el más eficiente (Rendimiento = Wneto / QH) que puede operar dentro de dos temperaturas dadas TH y TL.

CICLO DE POTENCIA DE VAPOR

Existen diversos ciclos teóricos, compuesto por procesos internamente reversibles. Uno de ellos es el denominado Ciclo de Carnot, que puede funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen estacionario, el mismo está compuesto por dos procesos isotérmicos e internamente reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente reversibles. Si en varias etapas del ciclo, el fluido de trabajo aparece en las fases líquida y vapor, el diagrama Ts del ciclo de vapor presentado en la figura 1.1a y 1.1b, será análogo al ciclo de Carnot. Este puede resumirse en la siguiente secuencia de procesos:

1-2 A la presión alta del estado 1 se comunica calor a presión constante (Y a temperatura constante), hasta que el agua se encuentra como vapor saturado en el estado 2. 2-3 Una expansión adiabática e internamente reversible del fluido de trabajo en la turbina hasta que alcanza la temperatura inferior TB en el estado 3.

3-4 El vapor húmedo que sale de la turbina se condensa parcialmente a presión constante (y temperatura constante) hasta el estado 4, cediendo calor.

4-1 Se comprime isoentrópicamente vapor de agua húmedo, que se encuentra en el estado 4, hasta el estado 1 de líquido saturado.

El rendimiento térmico del ciclo de Carnot, es el máximo posible bajo las condiciones a la cual este operando, pero algunos de estos procesos son inviable provocando serias restricciones para ser considerado útil en términos prácticos. Entre esos procesos se encuentra: La compresión del fluido de trabajo en condiciones bifásicas como lo exige el proceso 4-1. Para determinar la calidad en el estado 4, en necesario un control muy preciso del proceso de condensación. El proceso de expansión el la turbina con vapor húmedo, provocarían la formación de gotas que impactarían a alta velocidad y presión en los alabes de la turbina provocando su erosión (destrucción del alabe). El rendimiento del ciclo se ve afectado seriamente por la temperatura máxima T1, debido a las limitaciones dentro de las zonas de saturación disminuyendo el contenido energético del fluido de trabajo a medida que se incremente la temperatura.

CICLO RANKINE:

El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están: ¾ Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado líquido saturado a la presión de la salida de la turbina.¾ Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva

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