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TERMODINÁMICA Ing. Federico G. Salazar

ÍNDICE

MODULO IV CICLOS TERMODINÁMICOS

1, SINERGÍA 3, CICLOS TERMODINÁMICOS 4, CICLOS EN FASE GASEOSA

20, CICLOS CON CONDENSACIÓN DE FASES

32, GUÍA DE ESTUDIO

38, GLOSARIO DE TÉRMINOS

42, REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

TERMODINÁMICA Federico G. Salazar

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TERMODINÁMICA Ing. Federico G. Salazar

Sinergia Este es un efecto termodinámico que podríamos llamar del uno más uno mayor que dos. Lo ejemplificamos a continuación.

Ilustración. Supóngase dos sistemas: una bodega muy espaciosa del tamaño de un campo de fútbol y a la par un predio del tamaño de la mitad de una cancha de tenis El primer sistema contiene muchas piezas diferentes, todas perfectamente ordenadas y clasificadas por tipos y tamaños: tornillos, tuercas, neumáticos, bujías, aros, serpentines, cables, relojes, vidrios, llantas, y otras diez mil y una piezas más. Existe un orden en el; su entropía es baja y su exergía alta en el sentido que podríamos hacer muchas cosas con tanta pieza.

El segundo sistema posee un dispositivo que contiene las mismas piezas que

la bodega vecina. La diferencia está en que aquí esas piezas no están clasificadas por tipos y tamaños sino que se encuentran relacionadas todas entre sí: las llantas unidas a los aros y estos a los ejes de dirección y transmisión; y éstos a su vez a la caja de engranajes; y ésta unida a un cigüeñal conectado al motor; etc. Todas las piezas están ordenas e interrelacionadas entre sí de tal

forma que integran un vehículo. Este sistema si está inmóvil tiene baja entropía pero su potencial de trabajo y disponibilidad de exergía altísimo. Podemos concluir que el segundo sistema tiene una alta sinergia en comparación del segundo. Las diez mil y más piezas ordenadas no aleatoriamente suman más que las del primer sistema.

Figura No. 1. Partes de un automóvil

Fuente: DirveWire

Figura No. 2. Automóvil armado

Fuente: DirveWire


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CICLOS TERMODINÁMICOS. Son arreglos ordenados e interrelacionados de equipos y dispositivos que sirven para, a través de intercambio, transformación y procesa-miento de energía, obtener algún beneficio neto. Básicamente existen dos tipos de ciclos: los ciclos positivos en donde se extrae un trabajo útil a costa del manejo de calor transferido a un fluido de trabajo; y los ciclos inversos o de refrigeración que requieren de un trabajo efectivo para extraer calor de una región fría o de baja contenido de energía.

Figura No. 3. Esquema de ciclo positivo e inverso

En otro aspecto, existen ciclos que trabajan en una sola fase gaseosa y otros que trabajan en fase líquida y vapor combinadas, aprovechando el manejo de los calores latentes y sensibles, que juegan un papel preponderante en la eficiencia del ciclo. Para el primer caso existen los ciclos Brayton o Joule, Diesel, Otto, Stirling y Ericksson, principalmente. Del segundo tipo, con manejo de dos fases está el ciclo Rankine o Planta de Vapor. Los ciclos inversos de refrigeración y bombas de calor también operan en dos fases. Ciclo de Carnot La máquina de Carnot descrita en el módulo anterior, es un ejemplo de ciclo termodinámico. Se trata en realidad del ciclo termodinámico por excelencia, que fundamenta la teoría sobre la segunda ley. Es, sin embargo, un planteamiento teórico que no puede ser llevado a la práctica sencillamente, pero que sirve de base para la operación del ciclo Rankine, como una aplicación práctica. Se presenta en un diagrama el ciclo Carnot para un fluido que cambia de fases.


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Figura No.4. Diagramas del Ciclo Carnot con cambios de fases

En ambos diagramas, el área dentro de la curva corresponde al trabajo neto aprovechable del ciclo, incluyendo la transferencia de calor latente por cambios de fase. Se sugiere comparar este ciclo con el presentado en el modulo anterior en fase gaseosa únicamente. En la gráfica PV, el área bajo la curva de la trayectoria 4-1-2 es el trabajo de expansión y el de la trayectoria 2-3-4 es el trabajo de compresión, siendo la sustracción de ambas áreas eal trabajo útil. En la gráfica TS el área bajo la curva de la trayectoria 4-1 es el calor alto que recibe el ciclo y el área bajo la trayectoria 2-3 corresponde al calor bajo o rechazado al ambiente, de tal forma que la sustracción de ambas áreas equivale al calor que aprovecha el ciclo y que transforma en trabajo útil. La eficiencia de Carnot se demostró que corresponde a

A

B

T

T−= 1η

CICLOS EN FASE GASEOSA Tal como se mencionó antes, estos ciclos operan en una sola fase gaseosa, generalmente aire, mezcla de aire y combustibles o gases de combustión. Existen diversos arreglos de equipos que permiten el funcionamiento de ciclos diferentes, combinando etapas isotérmicas, isométricas, isobáricas y adiabáticas, que en todo caso pretenden mejorar el ciclo teórico de Carnot buscando la eficiencia mayor. Se describen a continuación algunos de ellos.


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1. Ciclo Joule o Brayton Este es un ciclo que en principio intenta reproducir el ciclo de Carnot, con la diferencia de que las etapas isotérmicas son ahora reemplazadas por las corres-pondientes etapas isobáricas. El fluido de trabajo, que puede ser un gas puro o una mezcla combustible. En la primera etapa se compri-me adiabáticamente el fluido de trabajo. El trabajo requerido es WC = Cp(T2 – T1). En la segunda etapa ocurre una adición de calor en un intercambiador a presión constante, con una consecuente expansión. El calor podría provenir de un proceso de combustión. En este caso, QA = Cp(T3 – T2).

Luego, en la tercera etapa el fluido se expande en una turbina adiabática. El trabajo de salida es WT = -Cp(T3 – T4). En la última etapa ocurre un enfriamiento a presión constante y compresión asociada, con liberación de calor QB = -Cp(T1 – T4). La eficiencia del ciclo se define como

γγη

123

14 111 −−=

−−−=

PrTT

TT

en donde rP = relación de presiones de compresión = P2/P1. La segunda expresión para la eficiencia se obtiene al sustituir los valores de las temperaturas por el de las presiones correspondientes, incorporando la ecuación adiabática de relación de estados y rP.

Figura No. 5. Ciclo Joule Brayton

Fuente: Borrell, Guillem et al.

Figura No. 6. Componentes del Ciclo Brayton

Fuente: Eastop & Conkey


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Se utiliza también el concepto de relación de trabajo como el cociente del trabajo neto con respecto al trabajo de turbina, que también se puede expresar en términos de la relación de presiones de compresión

γγ 1

2

11−

−=−

= PT

CT rT

T

W

WWWR

que nos da una relación de eficiencia. 2. Ciclo Otto Este es un ciclo corresponde al ciclo de aire estándar para las maquinas de combustión por petróleo y motores de gas. El ciclo ideal consta de cuatro etapas efectivas, y se utiliza un gas puro o una mezcla combustible. En la primera etapa se comprime isentrópicamente el fluido de trabajo en un cilindro. El trabajo requerido en esta etapa es W1 = Cp(T2 – T1). La segunda etapa es un calentamiento reversible a volumen constante y una consecuente expansión. El calor podría provenir de un proceso de combustión. En este caso, QA = Cp(T3 – T2). En la tercera etapa el fluido se expande en un cilindro isentrópico. El trabajo de salida es W2 = -Cp(T4 – T3). La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo calor libera-do es QB = -CV(T1 – T4). Se define la relación de compresión (carrera del pistón) como rV = V1/V2 La eficiencia del ciclo es

123

14 111 −−=

−−

−= γηVrTT

TT

La segunda expresión se obtiene al sustituir temperaturas por presiones, más la ecuación adiabática de relación de estados y rV.

Figura No. 7. Ciclo Otto

Fuente: Wikipedia


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3. Ciclo Diesel Este ciclo corresponde al desarrollo de una maquina cuya ignición espontanea por compresión del polvo de coque mezclado con aire se realizaba dentro de un cilindro, posteriormente modificado para utilizar petróleo como combustible. El ciclo ideal consta de cuatro etapas efectivas y su característica propia es que la mezcla combustible arde espontánea-mente al alcanzar la temperatura de ignición por efecto de la compresión a alta presión en un cilindro de carrera larga. En la primera etapa se comprime isentrópicamente el fluido de trabajo. El trabajo requerido es W1 = R (T2 – T1)/(1 - γ). La segunda etapa es un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente expansión. El calor proviene de una combustión espontanea. En este caso, QA = Cp(T3 – T2). En la tercera etapa el fluido se expande en el cilindro isentrópico, correspondiendo el trabajo de salida igual a W2 = - R (T4 – T3)/(1 - γ). La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo calor libera-do es QB = -CV(T1 – T4). La eficiencia del ciclo se define como

( )( ) γββ

γη γ

γ

123

14

1

11

11 −−

−−=−−

−=VrTT

TT

en donde rV = relación de compresión = V1 / V2. β = relación de calentamiento (cut-off) = V3 / V2 La segunda expresión para la eficiencia se obtiene al sustituir los valores de las temperaturas por las presiones correspondientes, incorporando la ecuación adiabática de relación de estados, rV y β.

Figura No. 8. Ciclo Diesel

Fuente: HowStuffWorks


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4. Ciclo Stirling Este es un ciclo cerrado que contiene un fluido de trabajo que puede ser aire, hidrogeno o helio. Por tratarse de una maquina sellada no requiere de válvulas ni sellos, sino solamente el los sistemas de intercambio de calor. Trabaja en base a cuatro etapas consistentes en enfriamiento, compre-sión, calentamiento y expansión. Por el diseño en el movimiento de sus pistones se producen expansiones y compresiones alternativas del gas. El calor externo se provee de una fuente, que puede ser un quemador. La primera etapa es una compresión isotérmica del fluido de trabajo con liberación de calor. El trabajo requerido es W1 = RT1 ln(P1/P2). La segunda etapa es un calentamiento reversible a volumen constante. El calor requerido es QA = Cv(T3 – T2).

En la tercera etapa el fluido se expande isotérmicamente, a temperatura cons-tante por adición de calor. El trabajo de salida es W2 = RT3 ln(P3/P4). La última etapa es un enfriamiento reversible a volumen constante, cuyo ca-lor liberado es QB = CV(T1 – T4) La eficiencia teórica del ciclo es equivalente a la de

Figura No. 9. Ciclo Stirling

Fuente: heat2power

Figura No. 10. Etapas del Ciclo Stirling

1

2

4

3

Fuente: Answers.com


MODULO 4 - T304 9

Carnot, aunque por irreversibilidades no se consigue tan alta respuesta. Dado que Q2A es igual en magnitud que Q2B y con signos opuestos, en la práctica se puede hacer una transferencia interna de estos calores (llamado proceso de regeneración), anulándose entonces para el calculo de la eficiencia del ciclo. Se puede demostrarse fácilmente que

A

B

A

B

A

BA

A T

T

Q

Q

Q

QQ

Q

W−=−=

−== 1134η

5. Ciclo Ericsson Este inventor diseñó una máquina basada en la combinación de varios ciclos termodinámicos. La primera versión era similar al ciclo Brayton, que utiliza una combus-tión externa. La segunda versión es la conocida actualmente con el nombre de este ciclo. En la primera etapa el aire se comprime isotérmicamente. Se requiere entonces de un enfriamiento simultáneo y el aire fruye a un tanque de almacenamiento a presión constante. El trabajo requerido es W1 = RT1 ln(P1/P2). La segunda etapa es un calentamiento reversible a presión constante y su consecuente expansión. El aire caliente fluye del tanque a presión elevada constante hacia el cilindro de potencia. En este caso el calor requerido es Q2A = Cp(T3 – T2). En la tercera etapa el aire se expande en el cilindro isotérmicamente, recibiendo calor externo. El trabajo de salida igual a W2 = -RT3 ln(P3/P4). La última etapa es un enfriamiento reversible a presión baja constante, y el calor liberado es Q2B = Cp(T1 – T4) = - Cp(T3 – T2).

Figura No. 11. Ciclo Ericsson

Fuente: answers.com


MODULO 4 - T304 10

Teniendo presente que los calores Q2A y Q2B son iguales en magnitud, pero de signo opuesto, en la práctica se compensan por medio de un proceso de regeneración. Lo mismo ocurre con los trabajos realizados en as etapas isotérmicas que de igual magnitud pero signo contrario, anulándose como efecto neto. La eficiencia teórica del ciclo equivale a la de Carnot

A

B

A

B

A

BA

A T

T

Q

Q

Q

QQ

Q

W−=−=

−== 1134η

Como puede comprobarse en las ilustraciones que están más adelante, inclusión de la regeneración en el funcionamiento de un ciclo es fundamental para conseguir una mayor eficiencia de operación. Lo anterior es cierto tanto para el ciclo Ericsson como para el Stirling. En el caso ideal, se consigue la eficiencia de Carnot. El ciclo Stirling haya aplicación práctica en ciclos de cogeneración, bombeo de agua, astronáutica y generación eléctrica de fuentes abundantes de energía (solar y biomasa de residuos agrícolas y domésticos) que son incompatibles con el motor de combustión interna. También es utilizado como motor de submarinos. Sin embargo, por su precio no es competitivo con los motores de combustión (Wikipedia). Por otra parte, el ciclo Ericsson no tiene aplicación práctica en motores de combustión con pistones, pero es utilizado en las turbinas de gas con varias etapas que utilizan intercambiadores de calor.


MODULO 4 - T304 11

Figura No. 12a. Diagrama termodinámico del Ciclo Joule

Figura No. 12b. Ciclo Otto

Figura No. 12c. Ciclo Diesel


MODULO 4 - T304 12

Se ilustra a continuación el funcionamiento ideal de los cinco ciclos gaseosos, utilizando equivalentes temperaturas y presiones, para evaluar y comparar la eficiencia en cada caso.

Figura No. 12e. Diagrama termodinámico del Ciclo Stirling

Figura No. 12f. Ciclo Ericsson

Fuente propia


MODULO 4 - T304 13

Se ilustra el funcionamiento del ciclo Brayton

Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Brayton opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.


MODULO 4 - T304 14

Se ilustra el funcionamiento del ciclo Otto

Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Otto opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.


MODULO 4 - T304 15

Se ilustra el funcionamiento del ciclo Diesel

Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Diesel opera entre las temperaturas máxima 800ºK y mínima 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.


MODULO 4 - T304 16


MODULO 4 - T304 17

Se ilustra luego el funcionamiento del ciclo Stirling

Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Stirling opera entre las temperaturas de 800ºK y 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.


MODULO 4 - T304 18

Se ilustra el funcionamiento del ciclo Ericsson.


MODULO 4 - T304 19

Ilustración. Un gas ideal biatómico confinado en una maquina de Ericsson opera entre las temperaturas de 800ºK y 300ºK, presión máxima de 500 kPa y mínima de 100 kPa. Encuentre las condiciones de cada estado, las transferencias de calor y trabajo de cada etapa y la eficiencia del ciclo.


MODULO 4 - T304 20

CICLOS CON CONDENSACIÓN DE FASES LIQUIDO VAPOR En los equipos vistos anteriormente, el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo. A diferencia, los ciclos de potencia operan de tal forma que el fluido de trabajo se vaporiza y condensa en forma alterna. Cuando además se hace un calentamiento externo se le llama cogeneración. Los ciclos de potencia se analizan en su operación ideal y se comparan con aquellos en donde se introducen irreversibilidades en la operación de sus componentes. Además, se estudian aquellos ciclos a los que se le introducen modificaciones para aumentar su eficiencia; estas modificaciones incluyen el proceso de recalentamiento y regeneración en los ciclos de potencia positivos. Finalmente, se analizan los ciclos de potencia negativos, aplicables a los sistemas de refrigeración y bombas de calor.


MODULO 4 - T304 21

1. Ciclo Rankine Ideal Es el ciclo de potencia por excelencia, busca repetir la operación del ciclo Carnot en la región de condensación de fases. Generalmente el fluido de trabajo es el agua, utilizándose vapor sobresaturado a alta presión para impulsar los álabes de la turbina y obtener trabajo de eje útil. Complementan el ciclo la caldera, la bomba y un condensador. Se completa en cuatro etapas, y en la primera se lleva agua fría a la caldera, desde el condensador. Es una etapa considerada isométrica, teniendo presente la condición del agua como fluido incompresible, en donde recibe energía en forma de trabajo que lo impulsa. Este trabajo se aproxima a la expresión WB = V1(P2 – P1). La segunda etapa se realiza en la caldera, en donde recibe energía en forma de calor, obteniéndose vapor con alto nivel de energía, que se

lleva a la turbina. El calor adicionado se evalúa en términos de las condiciones del vapor de salida y el agua de entrada, QA = H3 – H2 La tercera etapa sirve para extraer energía al fluido transformándolo en trabajo útil en la turbina. Se evalúa en términos de las condiciones a la salida, generalmente vapor saturado con algún contenido de agua liquida y del vapor sobresaturado a la entrada, WT = H4 – H3

En la cuarta etapa se hace pasar la mezcla liquido-vapor en el condensador llevándolo a liquido saturado, y extrayendo calor que se lleva a los alrededores del sistema, el cual corresponde a QB = H4 – H1

Figura No. 13. Maquina Rankine

Fuente: Cyclone Power Technologies

Figura No. 14. Componentes del Ciclo Rankine Ideal

Fuente propia


MODULO 4 - T304 22

La eficiencia térmica del ciclo es

A

Bneto

Q

Q

Q

W−== 1η

Se incluye una ilustración sobre este ciclo.

Ilustración. Se utiliza agua como fluido de trabajo en un ciclo ideal de Rankine. Vapor saturado entra a la turbina a 8.0 MPa y sale como líquido saturado del condensador a una presión de 0.008 MPa. La potencia de salida neta del ciclo es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la relación de trabajo; c) la razón de flujo de masa de vapor; d) la razón de transferencia de calor en el ebullidor; e) la razón de transferencia de calor en el condensador; f) la razón de flujo de masa de agua de enfriamiento en el condensador si entra a 15°C y sale a 35°C

Figura No. 15. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine Ideal

Fuente propia


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MODULO 4 - T304 24

2. Ciclo Rankine no Ideal Para el primer caso asumimos idealidad en los equipos del ciclo. Es decir, operación isentrópica tanto de la turbina como de la bomba y transferencia de calor isobárica en la caldera y condensador. En la práctica se producen irreversibilidades en el funcionamiento de los equipos que conduce a recalentamientos acompañados de liberación de calor y perdidas de presión especialmente en los intercambiadores de calor. Todo ello se traduce en una perdida de eficiencia del ciclo. En este sentido, se extraerá menor cantidad de trabajo en la turbina y se consumirá mayor trabajo en la bomba. Para lograr los mismos resultados será necesario agregar mayor cantidad de calor en la caldera a fin de compensar esas perdidas. Por otra parte, si los intercambiadores pierden presión por perdidas de calor y fricciones al fluir, incidirá por su parte en la adición de energía adicional. Se muestra el funcionamiento del ciclo no ideal y seguidamente se presenta una ilustración, para el calculo de la eficiencia.


MODULO 4 - T304 25

Ilustración. Para las mismas condiciones de operación de la ilustración anterior, se consideran ahora irreversibilidades. La eficiencia de la turbina y de la bomba es del 85% respectivamente. La potencia de salida neta del ciclo es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la relación de trabajo; c) la razón de flujo de masa de vapor; d) la razón de transferencia de calor en el ebullidor; e) la razón de transferencia de calor en el condensador; f) la razón de flujo de masa de agua de enfriamiento en el condensador si entra a 15°C y sale a 35°C

Figura No. 16. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine No Ideal

Fuente propia


MODULO 4 - T304 26


MODULO 4 - T304 27

Se incluye una rutina desarrollada en Excel para el cálculo de la eficiencia del ciclo de Rankine.

Figura No. 17. CICLO RANKINE EN EXCEL

Descargar de:

http://www.fsalazar.bizland.com/xls/RANKINE.xls

3. Ciclo Rankine con Recalentamiento Al ciclo Rankine Simple se le pueden hacer modificaciones que buscan

aumentar la eficiencia térmi-ca de primera ley. Una modificación consiste en generar un recalentamiento del fluido de trabajo el cual se extrae de la turbina y se regresa a una segunda turbina. En este caso, la mejora en la eficiencia consiste en primer lugar en que se aumenta la cantidad de trabajo útil del ciclo, tal como es observarse en la grafica TS.

Figura No. 17. Componentes del Ciclo Rankine con Recalentamiento

Fuente propia


MODULO 4 - T304 28

Un segundo punto de importancia es que ahora se utilizan dos turbina más pequeñas en comparación con el ciclo simple, lo cual beneficia aspectos de mantenimiento y costos de operación y adquisición del equipo. En teoría, si se realizaran infinitos procesos de recalentamiento se utilizarían microturbinas y el proceso tendería a un comportamiento isotérmico. El ciclo se completa en seis etapas, transportando con la ayuda de una bomba, agua fría a la caldera desde el condensador. Es una etapa considerada isométrica y el trabajo ideal coincide con la expresión obtenida para el ciclo simple, WB = V5 (P6 – P5). La segunda etapa se realiza en la caldera, en donde recibe energía en forma de calor, QA = H1 – H6 = mf (h1 – h6). En la tercera etapa se extrae energía al fluido en forma de trabajo útil en la primera turbina. Se evalúa en términos de las condiciones del fluido a la salida, generalmente a una presión intermedia y como vapor sobrecalentado, WT1 = H2 – H1 = mf (h2 – h1). En la cuarta etapa se hace pasar el fluido de trabajo por la caldera para un recalentamiento que lo puede llevar hasta una temperatura cercana de la del fluido a la entrada de la primera turbina, QR = H3 – H2. La quinta etapa extrae energía al fluido en forma de trabajo útil en la segunda turbina, WT2 = H4 – H3 = mf (h4 – h3). En la sexta etapa la mezcla liquido-vapor obtenida de la etapa anterior se lleva al condensador en donde sale como liquido saturado, liberando calor a los alrededores del sistema, QB = H5 – H4 Si el ciclo con recalentamiento no es ideal, se extraerá menor cantidad de trabajo en las turbinas y se consumirá mayor trabajo en la bomba. Para lograr los mismos resultados será necesario agregar mayor cantidad de calor en la caldera a fin de compensar esas perdidas. Por otra parte, si los intercambiadores pierden presión por perdidas de calor y fricciones al fluir, incidirá por su parte en la adición de energía adicional. Se muestra el funcionamiento del ciclo con recalentamiento ideal y seguidamente se presenta una ilustración, para el calculo de la eficiencia, que se amplia posteriormente para el caso del comportamiento no ideal.


MODULO 4 - T304 29

Se muestra un ciclo con recalentamiento ideal y seguidamente con irreversibilidades para el calculo de le eficiencia.

Ilustración. Un ciclo Rankine con recalentamiento trabaja con agua que entra a la turbina a 8.0 MPa y 480°C y sale de la primera etapa a 0.7 MPa. Luego se recalienta hasta 440°C y entra a la segunda etapa en la turbina en donde se expande hasta la presión de 0.008 MPa. La potencia neta de salida es de 100 MW. Determine: a) la eficiencia térmica; b) la razón de flujo de masa de vapor; d) la transferencia de calor en el condensador

Figura No. 18. Diagrama termodinámico del Ciclo Rankine con Recalentamiento

Fuente propia


MODULO 4 - T304 30

4. Ciclo Rankine con Regeneración


MODULO 4 - T304 31

Solución


MODULO 4 - T304 32


MODULO 4 - T304 33

CICLOS DE POTENCIA INVERSOS 1. Ciclo de Refrigeración Ideal

Ilustración. Un refrigerador ideal utiliza refrigerante H134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra al condensador como vapor saturado a 28 ºC y sale como liquido saturado. La eficiencia del ciclo es COP= 4.5. Determine la eficiencia del compresor y la potencia requerida si el medio ambiente esta a 20 ºC.

Solución


MODULO 4 - T304 34

2. Ciclo de Refrigeración no ideal

Ilustración. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor utiliza refrigerante 134A a razón de 6 kg/min. El refrigerante entra al compresor a -10ºC y 1.4 bar y sale a 7 bar. La eficiencia isentrópica del compresor es del 67%. El refrigerante sale del condensador a 7 bar y 24ºC.


MODULO 4 - T304 35

3. Bomba de Calor

Ilustración. Una bomba de calor utiliza refrigerante 134A como fluido de trabajo. El refrigerante entra al compresor del ciclo a 2.4 bar y 0ºC con un flujo volumétrico de 0.6 m3/min. La compresión es adiabática hasta 9 bar y 60ºC. El fluido de trabajo sale del condensador a 9 bar.


MODULO 4 - T304 36


MODULO 4 - T304 37

GUÍA DE ESTUDIO T-4

Prof. Adolfo de la Cruz

GUÍA DE ESTUDIO Preguntas de Repaso y Razonamiento Subraye la respuesta correcta.

1. El ciclo termodinámico en que operan sistemas o maquinas para producir

una salida de potencia neta se llama:

a) Ciclo ideal b) Ciclo de Gas c) Ciclo de Vapor

d) Ciclo real e) Ciclo de Potencia f) Ciclo de

Refrigeración

2. La eficiencia térmica de un motor de Otto o Diesel en comparación con la de

un motor de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura

será:

a) Menor b) Mayor c) No se puede

comparar

3. Al utilizar la regeneración o el recalentamiento en un Ciclo Rankine la

eficiencia de este en comparación con la de un Ciclo Rankine simple:

a) Aumenta b) Disminuye c) Permanece igual

4. En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, por cada °C que

se eleve la temperatura de evaporación o que disminuya la temperatura de

condensación el COP:


5. El área encerrada por un ciclo en un diagrama P-v representa:

a) La entalpía total b) La entropía total c) La Exergía

total

d) El Calor neto utilizado e) El trabajo neto realizado f) Es sólo un

área

6. La eficiencia térmica de una máquina es la relación entre el trabajo neto

producido y:


MODULO 4 - T304 38

a) El trabajo neto de ingreso al ciclo b) La entropía neta de salida

c) El calor neto de ingreso al ciclo d) La entalpía neta de salida

7. Para la misma relación de compresión, el motor de Otto en comparación con

el motor Diesel, tendrá una eficiencia:

b) Mayor b) Menor c) Permanece igual

8. En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, si la valvula de

estrangulamiento es sustituida por una turbina el COP del refrigerador:


Escriba si es verdadera (V) o si es falsa (F) cada una de las siguientes

proposiciones. Si escribe falsa justifique su respuesta.

1. En los ciclos de gas el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa

durante todo el ciclo. ______

2. Una forma de clasificar las máquinas térmicas es como máquinas de

combustión externa y máquinas de combustión interna. _______

3. El Ciclo de Otto es el ciclo ideal para máquinas reciprocantes de encendido

por chispa de cuatro tiempos. ______

4. Los motores de encendido por chispa se conocen también como motores de

gasolina. ______

5. Los ciclos de Stirling y Ericson son dos ciclos totalmente reversibles que

incluyen un proceso de adición de calor isotérmico a Talta y un proceso a

rechazo de calor isotérmico a Tbaja. ______

6. En esencia, un ciclo de refrigeración es un ciclo invertido de una máquina

térmica. ______


MODULO 4 - T304 39

Realice lo que se le pide:

1. Enumere las cuatro etapas en las que opera el Ciclo de Otto y muéstrelas en

un diagrama P-V

2. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo Diesel y muéstrelas en un

diagrama P-V

3. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo de Brayton y muéstrelas en

un diagrama P-V y T-S

4. Enumere las cuatro etapas en la que opera el Ciclo Rankine simple e ideal y

muéstrelas en un diagrama T-S

5. Enumere las cuatro etapas en las que opera un Ciclo invertido de Carnot,

muéstrelas en un diagrama T-S y realice un esquema del refrigerador Carnot.

6. Enumere las cuatro etapas en las que opera un Ciclo ideal de refrigeración por

compresión de vapor, muéstrelas en un diagrama T-S y realice su esquema de

refrigeración.


MODULO 4 - T304 40

7. Muestre los puntos de cada figura que corresponden a un Ciclo de Rankine en un diagrama T-S.


MODULO 4 - T304 41


MODULO 4 - T304 42

GLOSARIO DE TÉRMINOS T-4 Prof. Adolfo de la Cruz

GLOSARIO

BOMBAS DE CALOR Son los refrigeradores que se emplean con el fin de calentar un espacio transfiriendo calor desde un medio más frío.

CICLO DE GAS El fluido de trabajo permanece en la fase

gaseosa durante todo el ciclo. CICLO DE POTENCIA Ciclo termodinámico en que operan sistemas o

máquinas para producir una salida de potencia neta.

CICLO DE REFRIGERACIÓN Ciclo en que operan los refrigeradores. CICLO DE VAPOR El fluido de trabajo existe como vapor durante

una parte del ciclo y como líquido durante otra. CICLO TERMODINÁMICO Son arreglos ordenados e interrelacionados de

equipos y dispositivos que sirven para, a través de intercambios de energía, obtener algún beneficio neto.

COEFICIENTE DE DESEMPEÑO Expresión para el desempeño de los

refrigeradores y las bombas de calor. COGENERACIÓN Es la producción de más de una forma útil de

energía a partir de la misma fuente de energía. EFICIENCIA TÉRMICA Es la expresión del desempeño de una máquina

térmica para convertir energía térmica en trabajo.

MÁQUINA DE COMBUSTIÓN INTERNA El calor se genera al quemar un

combustible dentro de las fronteras del sistema. MAQUINA TÉRMICA Dispositivo que se emplea para convertir la

transferencia de calor en trabajo.


MODULO 4 - T304 43

REFRIGERACIÓN Es la transferencia de calor de regiones de temperatura inferior a regiones de temperatura más altas.

REFRIGERADORES Dispositivos que producen refrigeración. REGENERACIÓN Sistema de recuperación interna de calor en un

ciclo que le permite una mayor eficiencia.

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Ing. Federico G. Salazar

termodinÁmica ing. federico g. salazarfsalazar.bizland.com/pdf/t304.pdf · ... que fundamenta la...

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