CICLOSTERMODINAMICOS

20112012

CICLOTERMODINMICO

Esunprocesooconjuntosdeprocesosporlosqueunsistemaevolucionavolviendoal

mismoestadoinicial.

Paratodociclosecumpleque: WQU ;0

Cicloreversible:(todoslosestadossondeequilibrio).PuederepresentarseendiagramasPV,TS,

ElreadentrodelcicloenundiagramaPVrepresentaeltrabajoyenundiagramaTSelcalor

A

D

C

B

TC

Tc>TF

TF

Q1

Q2

TC

TF

C.Carnot

C.Carnot

Losciclostermodinmicospermiten:

a)

ConvertircalorentrabajoporinteraccincondosfocostrmicosMquinaso

motorestrmicos.Sedescribenensentidohorario

b)

Pasarcalordeunfocofroaotroamayortemperaturafrigorficosobombas

decalor.Sedescribenensentidoantihorario

Motor:1Motor:1

22

334 4 11

CiclohorarioCiclohorario

W>0W>0

Refrigeradorobombadecalor

14321

Cicloantihorario

W

MOTOROMAQUINATERMICA

Elcicloseutilizaparaconvertircalorentrabajo.Porello:

(W>0,sentidohorario

A

D

C

B

TC

Tc>TF

TF

Q1

Q2

1

C

util

C

FC

QW

QQQ

0;0 WQQQU FC

Carnot

AB

ExpansinisotrmicaU=0,Q1

=WAB

>0

BC

ExpansinadiabticaU=WBC

>0

CD CompresinisotermaU=0;Q2

=WCD

MAQUINAFRIGORIFICAYBOMBADECALOR

FC

F

FC

FFf TT

TQQ

QWQ

A

D

C

B

TC

Tc>TF

TF

Q1

Q2

Elfluidotomacalordelfocofrio

Elfluidocedecalordelfococaliente

0;0 WQQQU FC

1

FC

C

FC

CCbomba TT

TQQ

QWQ

Carnot

Inverso

PRINCIPAPALESCICLOS

DEPOTENCIA

Idealdecarnot

Rankine

Brayton

Stirling

DEREFRIGERACION

DeCarnotinverso

Refrigeracinporcompresin

Porabsorcin

CICLODEBRAYTON

Modelaelcomportamientoidealdeunaturbinaagas(normalmenteaire)

Aunqueesunciclodepotenciadecombustininternaabierto

(losgasesdesalidanose

reutilizannormalmente),esconveniente,paraelanlisistermodinmico,suponerquelos

gasesdeescapesonreutilizadosenelingreso,permitiendoelanlisiscomociclocerrado

http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY

Admision CombustionCompresion Turbina Escape

A CB D

ESQUEMADEFUNCIONAMIENTO

http://en.wikipedia.org/wiki/Open_system_(system_theory)http://personales.able.es/jgros/

1

21

QQQ

Q

QQQ

W

calientefoco

friofococalientefoco

absorbido

neto

Esunmotortrmicoqueproducetrabajoporintercambiodecalorcondosfocos

,trmicosa

distintatemperatura

Elrendimientovienedadopor:

REPRESENTACIONTERMODINAMICADELCICLO

CicloidealizadodeBrayton

Q1

Q2

ANALISISTERMODINAMICO

a)Procesosisobricos

CB pp

BBAA TpTp

11

DDCC TpTp

11

DA pp

B

C

A

D

TT

TT

Restandolaunidadacadamiembro

B

BC

A

AD

B

C

A

D

TTT

TTT

TT

TT

11

B

A

BC

AD

TT

TTTT

b)Procesosadiabticos

Isoentropicos

Yrecombinandotrminos

(1)

(2)

http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RA

Q1

Q2

BCpCB TTncQQ 1

DApAD TTncQQ 2

CALORNETOENELCICLO

ADDBpneto TTTTncQQQ 21

Elrendimientoenfuncindelastemperaturas

podr

expresarsecomo:

BC

AD

TTTT

QQQ

11

21

http://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY

TRABAJOENELCICLO

Q1

Q2

0 ABvBABA TTncUW

0 BCBCBCB TTnRVVpW

0 CDvDCDC TTncUW

0 DADAAAD TTnRVVpW

Eltrabajonetoenelciclo(positivo),seobtienesumando

lostrabajosdecadatramoyaplicandolarelacindeMayer

DABCpneto TTTTncW

Rcc vp

Comoeradeesperartrabajoycalornetocoinciden

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Rankine_cycle_Ts.png

http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY

1

11r

adiabaticoecoeficientcc

conv

p

ELRENDIMIENTOENFUNCINDELARAZNDECOMPRESINr

Q1

Q2

1

)2(111

B

A

B

A

BC

AD

pp

TT

TTTT

Definiendolarazndecompresinr

como:

1A

B

ppr

laecuacindelrendimientosetransformaen:

MEJORADELATURBINASIMPLE:REGENERACION

Elrendimientodelciclosemejorasipartedelosgasesdesalidaseintroducenenun

intercambiadorparaprecalentarelgasdeentradaalacmaradecombustin

ALTERNADORALTERNADOR

TURBINASIMPLE

TURBINACONREGENERADOR

Gasesde

salida

USOENAPLICACIONESSOLARES

CENTRALDEPOTENCIATERMOSOLAR

MOTORDESTIRLING

ElmotorStirling(1816)compiti

ensusiniciosconlamquinadevapor.Enlosltimosaos

hasuscitadodenuevointersporque:

Surendimientopuede,tericamente,alcanzarellmitemximodeCarnot.

Elfluidodetrabajooperaenunciclocerradoconfuentedecalorexterna.Estohaceque

estemotorsea,potencialmente,demuybajoniveldeemisiones.

Alutilizarunafuentedecalorexternaesadaptableaunagran

gamadefuentesdeenerga

calorfica(nuclear,solar,calordedesechodeprocesos,etc.)

Desventajas:

Elfluidodetrabajoesungasloqueacarreadificultadesoperativas.Engeneralseutilizael

hidrgenoyelhelioporsusbuenaspropiedadestermodinmicas.

AB:Compresinisoterma

delgasala

temperaturainferior,Tf.SecedecalorQ1,ala

fuentefraporabsorcindeltrabajomecnico

paralacompresin.

BC:Calentamientoisocrico.Elgasabsorbe

delcalor,Q2,aumentandosutemperaturahasta

Tcysupresin.

CD:Expansinisotermadelgasaalta

temperatura,Tc.ElgastomaelcalorQ3dela

fuentecalienteproduciendounacantidad

equivalentedetrabajo.

DA :Enfriamientoisocricohastala

temperaturadelfocofrio

Tf

porcesindelcalor

Q4.

REPRESENTACIONTERMODINAMICADELCICLO

AA

D

C

B

Q1

Q1

Q3

Q4

Tc

Tf

Seabsorbecalorenelcalentamientoisocricoyenlaexpansinisoterma,ysecedeenlos

otrosdosprocesos.

Calornetoabsorbido:

Calornetocedido

RENDIMIENTODELCICLO

Esterendimientoessiempremenorqueelmximoideal:

fCvB

AfCBBAc TTncV

VnRTQQQ ln

fCvB

AcADDCf TTncV

VnRTQQQ ln

Porloqueelrendimientoes:

fcvc

fcvf

c

f

TTcrRTTTcrRT

QQ

lnln

11A

B

B

A

pp

VVr con

Secumple:

c

f

TT

1max

0ln

2

max

fcvcc

fcv

TTcrRTTTTc

UnsistemaquerealizaelcicloStirlingest

formadoporuncilindro,unpistndetrabajoyun

pistndedesplazamientoconunregeneradordecalorquedividealsistemaendoszonas,una

zonacalienteaTc

yunazonafraaTf

.

DESCRIPCIONDELFUNCIONAMIENTO

Sevuelvealaposicininicialatravesandootravezelregenerador,peroestavezelgas

ceder

unacantidaddecalor,alregeneradorbajandosutemperaturahastaTf

1)Todoelgasest

enlapartefra

cilindroauna

temperaturaTf

y

ocupandoelmximo

volumen.

2)Durantela

compresinhastael

mnimovolumen,T=Tf

constanteysecede

caloralazonafra.

3)Elgashaatravesado

elregenerador

absorbiendocalorQrg

y

aumentandohastaTc

.

4)Expansindelgas

hastaelvolumen

mximoinicial

absorbiendocalordel

fococalienteTccon

produccindetrabajo.

(1)(4)(3)

(2)

IMPORTANTE:

Lo

que

hace

especial

al

ciclo

de

Stirling

es

la

presencia

de

un

intercambiador

de

calor(oregenerador).

Enelenfriamientodelgas,sepasadelatemperaturaTcaTf

liberandocalor.Enel

calentamiento,sepasadeTf

aTc,absorbiendocalor.Puestoque,tericamente,se

pasa

por

las

mismas

temperaturas

es

posible

aprovechar

el

calor

liberado

al

enfriarse

sin

violar

el

segundo

principio

de

la

termodinmica:

el

calor

que

se

va

liberandogradualmenteenunpuntodelenfriamientosecedealpuntoalamisma

temperatura

en

el

calentamiento.

Puesto

que

ambos

puntos

se

encuentran

a

la

mismatemperaturaelprocesoserareversible.

En

la

realidad

siempre

se

necesita

una

diferencia

de

temperaturas

para

la

transferencia,

pero

pueden

ser

lo

suficientemente

pequeas

como

para

que

el

rendimientorealseaproximebastantealmximoideal.

http://personales.able.es/jgros/http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RAhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related

Comofunciona?

http://personales.able.es/jgros/http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RAhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related

USOS EN APLICACIONES SOLARES:

DiscoStirlingcondiseo

propioAbengoaSolar

DiscoStirlingdelaplataforma

solardeAlmeria

CICLODERANKINE

Elcalorsuministradoporunafuenteexternaseconvierteparcialmenteentrabajo

utilizandonormalmenteagua.Seaprovechalaentalpadecambiodefase.

12.Calentamientosensibleadiabticodellquido(Tf

Tc)porcompresin.Requiere

bombaocompresor.

23:Calentamientoisobricodellquidohastaconvertirloenvaporsaturado.

Requieredeunafuentedecalorexterna.(Vaporizacin)

34:Expansinadiabticadelvaporsaturadoenlaturbina,congeneracinde

potencia.Latemperaturaylapresinbajanyaparececondensacin.(Enfriamiento

sensibleTcTf

ydecambiodefaseporcondensacin)

41:Condensacinisotermadelvaporhastalasaturacin.Elvaporseconvierteen

lquidosaturado.

CICLODERANKINE:IDEAL

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Rankine_cycle_Ts.png

RENDIMIENTODELCILORANKINE

C

BombaTurbina

Q

WW

21 hhm

W Turbina

34 hhm

W bomba

41 hhm

QC

32 hhm

QF

CICLODERANKINE:REAL

Enuncicloreallacompresinenla

bombaylaexpansinenlaturbinano

sonisentrpicas,porloqueson

procesosnoreversiblesconaumento

deentropa

mayorconsumoenla

bombaymenorrendimientoglobal

Laeficienciadelaturbinasereduce

porlaformacindegotasnel

condensadoquealchocarcontralas

aletasdelaturbinareducensu

velocidad,laserosionayreducesu

vidadeuso.

Lasolucinmasfcilessobrecalentar

elvapor(procesos33)para

desplazareldiagramahacialaderecha

(34),porloqueseproduceun

vapormassecotraslaexpansin,lo

queevitaelgoteo

CICLODERANKINE:REALCONRECUPERADORDECALOR

Seintroduceenelciclounintercambiador

decalorporcontactodirecto(punto2del

ciclo),enelqueentranencontactopartedel

vaporquesaledelaturbinaconelfluidoque

hayenelcondensador(4),conloquese

consigueunlquidosaturadoauna

temperaturaintermedia(punto7).

Deestaformaseconsigueaumentarel

rendimientodelcicloaunqueseaumentala

complejidaddelainstalacinyconellolos

problemasligadosalmantenimiento,

Eselcicloquehabitualmenteseutilizaenlas

centralesdepotencia

DiagramaTSparaelvapor

CICLOSDEREFRIGERACION

1.

CiclodeCarnotinverso:cicloidealdescrito

porungas(nocondensable)FC

Ff TT

T

1

FC

Cbomba TT

TCOP

CICLODEJOULE(MAQUINASFRIGORFICASDEAIRE)

LasmquinasfrigorficasdeairefuncionansegnuncicloJoule.Aunquetienenunelevado

consumodeenergaseusanporlaseguridadquesuponeelutilizarairecomofluidoas

comopor

elpocopesodelasinstalaciones(compresoresrotativos).

12.CompresinadiabticaconaumentodeT.Requierecompresor.23:Enfriamientoisobricoconcesindecalor.34:Expansinadiabticaenturbinaomaquinadepistnoturbina.41:Calentamientoisobricoporabsorcindecalorporcontactoconfococaliente

1111

1

2

pp

TTTCOP

FC

C

CICLOREALDEREFRIGERACIONPORCOMPRESION

Larefrigeracin

porabsorcin

esunmediodeproducirfro

aprovechandolavariacindeentalpaasociadaalcambiodefaseLV

Elciclosebasafsicamenteen:

A)cambiodesolubilidadconlatemperatura:porejemploaguaNH3(el

NH3eselsoluto)

B)lacapacidaddealgunassustancias,comoelbromurodelitio

de

absorberotrasustancia agua

enfasedevapor.

CICLODEREFRIGERACIONPORABSORCION

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bromuro_de_litio&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_(estado)

Generador:LasolucinNH3H2Osellevaebullicin,poraportecalorficoexterno.El

fluidorefrigerante

NH3sevaporizayseseparadelagua(presinunos20bares)

Condensador:elvapordeNH3condensaporenfriamientoconaire

ambienteexterior

PRINCIPIODEOPERACINDEPORABSORCIN:NH3AGUA

Refrigerante

V.Expansin Absorbedor

CesinQaireexterior

Generador

Absorcindecalor

Evaporador:NH3lquidoseevaporaabajapresin(unos4bares)absorbiendocalordel

circuitodeutilizacin(Tprxima3

C).

Absorbedor:ElvapordeNH3esabsorbidoporelaguaprovenientedelaseparacin

amoniacoaguaqueseprodujoenelgenerador

generado

Extraido

Bombaexternafuente

friofocoExtraido

QQ

WQQ

COP

CICLONH3H2O

Elfluidoquesemuevee

intercambiacaloreselNH3.

Elaguaeslasustancia

absorbedora

Losciclostermodinmicos

sonlosinversosdeRnakine

oJoule

Precisadeunabombapara

llevarladisolucin

concentradaalevaporador

Elbromurodelitioesunasalhigroscpicacuyasalmueratienegranafinidadporel

vapordeaguaqueloabsorbedelairehmedo.

EsunciclosimilaraldeNH3AGUA,aunqueenestecasoelfluidoquedescribeel

ciclorefrigeranteeselagua.Elciclobsicoconstadelosmismoscuatroprocesos bsicos:absorcindevapordeagua,evaporacindevapordeagua,regeneraciny

condensacindevapordeagua.

Ventajas:

elabsorbenteesnovoltilporloquenoacompaaalvaporynose

necesitarectificador.

Inconvenientes:

elabsorbente,noesdeltodosolubleenelaguaparatodoslosvaloresdepresin

ytemperaturaquepuedendarseenelsistema(precaucionesparaevitarla cristalizacindelBromurodeLi),

porserelaguaelrefrigerante,laspresionesdeoperacinsubatmosfricas elbromurodelitioescorrosivo

CICLODEREFRIGERACIONPORABSORCION:BrLiH2O

CICLOS TERMODINAMICOSDiapositiva numero 2Diapositiva numero 3Diapositiva numero 4Diapositiva numero 5Diapositiva numero 6Diapositiva numero 7Diapositiva numero 8Diapositiva numero 9Diapositiva numero 10Diapositiva numero 11Diapositiva numero 12Diapositiva numero 13Diapositiva numero 14Diapositiva numero 15Diapositiva numero 16Diapositiva numero 17Diapositiva numero 18Diapositiva numero 19Diapositiva numero 20Diapositiva numero 21Diapositiva numero 22Diapositiva numero 23Diapositiva numero 24Diapositiva numero 25Diapositiva numero 26Diapositiva numero 27Diapositiva numero 28Diapositiva numero 29Diapositiva numero 30Diapositiva numero 31Diapositiva numero 32