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UNIDAD III. CICLOS DE POTENCIA DE GAS, VAPOR Y COMBINADO
Deposito de energa trmica: Cuerpo que puede suministrar o absorber
cantidades finitas de calor sin que sufra ningn cambio de
temperatura. Ejemplos: horno industrial, atmosfera. Un depsito que
suministra energa recibe el nombre de fuente, y uno que absorbe
energa en forma de calor se denomina sumidero. Maquina trmica:
Dispositivo que convierte calor en trabajo. Caractersticas de la
maquina trmica:
1. Recibe calor de una fuente de alta temperatura (energa solar,
hornos, reactores nucleares, etc)
2. Convierte parte de ese calor en trabajo. 3. Liberan el calor
de desecho en un sumidero de baja temperatura (atmsfera, ros,
etc) 4. Funcionan en un ciclo.
Ciclo Termodinmico
CICLO DE CARNOT El ciclo reversible ms conocido es el Ciclo de
Carnot, propuesto en 1824 por el ingeniero francs Sadi Carnot. La
mquina trmica que opera el ciclo de Carnot se llama mquina trmica
de Carnot, se compone de 4 procesos reversibles (2 isotrmicos y 2
isobricos) y puede ejecutarse en un sistema cerrado o uno de flujo
estable.
P 1
2
3 4
P
^V
W
1
2 3
-
Proceso 1-2: Expansin isotrmica reversible Proceso 2-3: Expansin
adiabtica reversible Proceso 3-4: Compresin isotrmica reversible
Proceso 4-1: Compresin adiabtica reversible Axioma: Verdad evidente
Axioma de Clausius: Es imposible que el calor pase por s slo de una
regin de menor temperatura a otra de mayor temperatura. Axioma de
Kelvin Planck: Es imposible para cualquier dispositivo operar
cclicamente, hacer trabajo, intercambiar calor, solamente con una
regin de temperatura, por lo tanto toda maquina que opere
cclicamente y que produzca trabajo, no solo debe tomar calor de una
regin de alta temperatura, sino que tambin debe disipar a una regin
de baja temperatura. Enunciado de la 2 Ley de la Termodinmica: Es
imposible que haya transferencia de calor y se obtenga una cantidad
equivalente de trabajo sin que haya un cambio en el estado
termodinmico. Corolario: No es posible construir una mquina
irreversible que tenga eficiencia mayor que una maquina reversible,
si las dos estan operando en las mismas regiones de temperatura.
Corolario: La eficiencia trmica de una mquina reversible depende de
la temperatura de los focos, en los cuales esta funcionando y es
independiente del fluido que se esta comprobando.
rechazadoCalorQQaadidoCalorQQ
Rf
AC
==
==
Maq.Rev
TC (fuente)
Tf (sumidero)
QC
Qf
WRev Maq.Irrev
TC (foco caliente)
Tf (foco fro)
QC
Qf
WIrrev.
C
RR QW
= C
II QW
= IR
-
fC
fC
QQWQWQ
=
+= Lo que realmente se convierte en trabajo
C
f
C
f
C
fC
C TT
QQ
QQQ
QW
==
== 11
Entropa: Es la prdida de energa al ambiente que jams se va a
recuperar. Si S > 0 (el proceso es irreversible) Si S = 0
(isentrpico o adiabtico reversible) Si S < 0 (el proceso es
imposible) La forma cualitativa de expresar la 2 Ley de la
Termodinmica es a travs de los axiomas de Clausius y Kelvin Planck.
La forma cuantitativa de expresar la 2 Ley de la Termodinmica es a
travs del cambio de entropa.
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CICLO DE RANKINE Ahora se considera el ciclo ideal de cuatro
procesos RPFE que se representa el la siguiente figura, en donde el
estado 1 es lquido saturado y el estado 3 es vapor saturado o vapor
sobrecalentado. Este sistema se denomina ciclo de Ranking y es el
modelo para la termoelctrica simple. Es conveniente mostrar los
estados y los procesos en un diagrama T-S como se muestra en la
figura. Los cuatro procesos son: 1 - 2 Proceso de bombeo adiabtico
reversible en la bomba. 2 - 3 Transferencia de calor a presin
constante en la caldera. 3 - 4 Expansin adiabtica reversible en la
turbina (o en otro motor primario como podra
ser una maquina de vapor) 4 - 1 Transferencia de calor a presin
constante en el condensador. La transferencia de calor y el trabajo
se pueden representar por diversas reas en el diagrama T S. El
calor que se transfiere al fluido de trabajo esta representado por
el rea a-2-2-3-b-a y el calor que se transfiere desde el fluido de
trabajo, por el rea a-1-4-b-a. A partir de la primera ley se
concluye que el rea que representa el trabajo es la diferencia
entre estas dos reas, rea 1-2-2-3-4-1 , la eficiencia trmica esta
definida por la relacin:
abarearea
qW
H
neto
==3'22
143'221
Dispositivos que hacen trabajo (W) sobre los alrededores
Condensador
Turbina
Bomba
Caldera
1
2
3
4
T
s a b c
1
2
1
3
3
4
2
4
Turbina
W
Fluido
( )100Re
Re
v
Irrev
vIrrev
WWWW
=
-
Dispositivos que reciben trabajo (W) de los alrededores Ejemplo:
Una maquina Carnot que trabaja entre 427C y 26.7C produce 11000 Kgf
m. Determine:
a) Rendimiento trmico b) El calor suministrado c) La energa
disponible y la no disponible
Datos :
KcalmKgWKCTKCT
f
f
C
76.2511000
8.2997.2615.700427
==
==
==
Solucin:
Bomb
a
Fluido
Fluido
-W
Maq.Rev
T2 (fuente)
T1 (sumidero)
QA
QR
WRev
( )100ReRe
Irrev
v
vIrrev
WWWW
=
QA
W
QR
1
2
T0
T1
T2
S
disponiblenoCalorQdisponibleCalorQQW
R
RA
=
==
-
istradosuCalorKcalQ
mKgKcalmKg
mKgQ
WQQW
KK
TT
A
ff
fA
A
C
f
min04.45
94.426177.19230
572.011000
572.015.70085.29911
=
=
=
==
=
==
disponiblenoCalorKcalQKcalKcalQ
WQQQQW
R
R
AR
RA
=
=
=
=
28.1976.2504.45
disponibleCalorKcalW = 76.25
Ejemplo: Una maquina Carnot opera entre los dispositivos trmicos
a 600K y 300K, produciendo una potencia de 80000 KW. Determine la
rapidez con que absorbe calor de la fuente y se descarga al
sumidero. Datos :
KWWKTKT
80000300600
2
1
=
=
=
Solucin:
KWKWQ
WQQW
KK
TT
A
A
1600005.0
80000
5.060030011
1
2
==
==
=
==
-
KWQKWKWQ
WQQQQW
R
R
AR
RA
8000080000160000
=
=
=
=
EL CICLO DE BRAYTON Al estudiar los ciclos de potencia ideales
con cuatro procesos RPFE, se examin un ciclo que incluye dos
procesos a presin constante y dos isentrpicos, y los resultados se
presentaron en la figura. Cuando en este ciclo se utiliza un fluido
de trabajo que se condensa es el ciclo de Ranking, pero cuando se
utiliza un fluido de trabajo gaseoso en una fase se denomina ciclo
de Brayton. El ciclo de Brayton con estndar de aire es el ciclo
ideal para la turbina de gas simple. La turbina de gas simple con
ciclo abierto que utiliza un proceso de combustin interna y la
turbina de gas simple con ciclo cerrado, que utiliza procesos de
transferencia de calor.
( )( )23
1411TTCTTC
QQ
P
P
H
L
==
( )( )1
11232
141
=
TTTTTT
( ) ( )
211
4
4
3
1
4
2
3
1
2
4
3
1
4
3
4
3
1
1
2
1
2
1
2
4
3
=
==
==
=
=
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
PP
TT
PP
PP
PP
KKKK
( ) KK
PPT
T1
1
22
1 111
==
-
EL CICLO DE BRAYTON 1 - 2 Compresin isentrpica. 2 - 3 Adicin de
calor a presin constante. 3 - 4 Expansin isentrpica. 4 - 1 Rechazo
de calor a presin constante. ( ) ( )
14
23
hhqhhq
hhWWqq
sale
entra
entrasalesaleentrasaleentra
=
=
=+
presionesdelacionPPr
qW
P
entra
netoBrayton
Re1
2 =
=
Intercambiador de calor
Intercambiador de calor
Turbina
Compresor W
1
3
4
2
