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¿Cómo funciona la energía de vapor? ¿Cual es la importancia?
Si calientas una lata de sopa en un fuego, el líquido que
contiene se vaporizará yfinalmente se expandirá asta el punto en
que la lata podría explotar para poderli!erar la presión en su
interior" Cuando esta presión es usada para acer unatarea en
particular # como por e$emplo girar una tur!ina o causando una
teteraempiece a pitar # la tecnología usada en el vapor está
aprovec ándose de laenergía del vapor" %os m&todos de contener,
calentar, canalizar y usar el vapor acam!iado, pero los principios
!ásicos siguen siendo los mismos" 'prender acontrolar la potencia
del vapor a sido un largo proceso" (a se teoriza!a so!re
latecnología del vapor en la primera mitad del siglo uno" Sin
em!argo, tuvieron quepasar muc os a)os para construir el primer
motor de vapor para drenar agua deminas y $ardines" %a era del
vapor que surgió en un momento, moldeó el curso de
la istoria al potenciar la revolución industrial, transformando
todos los sectores ytecnologías"
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xisten diferentes tipos de energía dependiendo de si son
renova!les o norenova!les" n la parte de las renova!les, el Sol es
la fuente primaria de toda laenergía mecánica utilizada por la
umanidad" s sorprendente la cantidad total deenergía solar que
llega a la +ierra, aun cuando la cantidad con la cual incide
so!reun metro cuadrado de superficie es mínima" Se necesita
recolectar la energía deuna gran área para acer conveniente su
consumo en cualquier producción detra!a$o a gran escala" ' pesar de
eso, las celdas fotovoltaicas solares se utilizanpara generar
energía el&ctrica en aplicaciones especiales a peque)a escala"
%aradiación solar tam!i&n encuentra aplicación directa para el
calentamiento delagua y de edificios, en la generación de altas
temperaturas, en la industriametal rgica - ornos solares., así como
en la evaporación del agua para laproducción de sal"
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%a energía cin&tica asociada con los vientos
atmosf&ricos se utiliza cada vez másen algunos lugares donde es
posi!le producir potencia por medio de grandesmolinos de viento" %a
energía mecánica de las masas de agua que transportan losríos
provenientes de la lluvia y el des ielo es muy usada en
centrales
idroel&ctricas para la producción energía el&ctrica" %a
geot&rmica es la energíaque se aprovec a del calor de la tierra
para generación de energía el&ctrica yo!tención de agua
desalinizada, entre otros usos" 'unque la utilización de estas
ltimas energías es mínima en comparación con la demanda de
energía mundial,en alg n momento todas estas alternativas serán
indispensa!les"
/or otro lado, en la parte de las energías no renova!les los
com!usti!les fósilescomo petróleo, gas natural o car!ón y sus
derivados, son la fuente de energía másgrande actualmente a nivel
mundial, mientras que energías como la nuclear estánen proceso de
investigación"
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+eniendo en cuenta lo anterior se define entonces una planta de
energía de vaporconvencional aquella que usa como fuente de energía
los com!usti!les fósiles"
stas pueden ser de tres tipos aunque para esta exposición solo
se considerara laplanta termoel&ctrica de vapor -que es aquella
en donde la energía química delcom!usti!le se transforma en energía
calorífica para producir vapor que esconducido a una tur!ina donde
la 0 se convierte en energía mecánica que estransmitida a un
generador para producir electricidad., puesto que la
plantatermoel&ctrica de tur!ogas que es la que utiliza la
energía mecánica o!tenida de laexpansión del aire comprimido y
gases de com!ustión para mover la tur!ina que
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está unida a un rotor para generar energía el&ctrica y la
planta de ciclo com!inadoque consta de dos unidades generadoras, la
tur!ogas y la de vapor, en la que unavez la producción de energía
el&ctrica termine en la planta de tur!ogas, la altatemperatura
de los gases de escape se utiliza para calentar agua y generar
vaporpara generar energía el&ctrica adicional1 aparecen como
consecuencia de lasegunda ley de la termodinámica ya que a pesar
del perfeccionamiento en eldise)o del equipo, la eficiencia de las
plantas convencionales de energía de vaporpor com!usti!les fósiles
rara vez excede 234" Sin em!argo, es posi!le lograreficiencias
mayores a 354 en plantas de ciclo com!inado e intermedias en la
detur!ogas"
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* 6áquinas +&rmicas -son dispositivos o máquinas que
producen tra!a$o a partirdel calor en un proceso cíclico. *
%as plantas de vapor tienen como o!$etivo transformar el tra!a$o
mecánicoo!tenido por el calor del vapor de agua, en energía
el&ctrica, y tam!i&n sonconocidas por el nom!re de
+ermoel&ctricas"
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estas plantas constan de 7 equipos en las que generalmente se
llevan a ca!o lassiguientes etapas8
9 l agua líquida a su temperatura am!iente se !om!ea a una
caldera a presiónalta"
9 l calor de un com!usti!le se transfiere en la caldera al agua,
convirtiendo estaltima en vapor a alta temperatura a la presión de
la caldera"
9 %a energía se transfiere como tra!a$o en la flec a del vapor a
los alrededoresmediante un dispositivo tal como una tur!ina, en la
cual el calor se expande astala presión y temperatura
reducidas"
9 l vapor sale de la tur!ina mediante transferencia de calor a
los alrededores,produciendo agua líquida que regresa a la caldera,
así concluye el ciclo"
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El principio teórico de funcionamiento de las máquinas de vapor
son losciclos de potencia de vapor
**Los procesos que regresan a su estado inicial reciben el
nombre de procesoscíclicos. Los procesos individuales que
constituyen los elementos del procesocíclico varían y dependen de
cada aplicación en particular. Un ciclo ideal de
potencia que utilice vapor de agua se compone de procesos de
transferencia decalor a presión constante (hacia el fluido de
trabajo en el generador de vapor y
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desde el fluido de trabajo en el condensador) y de procesos de
trabajo adiabático(adición de trabajo por la bomba y entrega de
trabajo por la turbina). La máquinaideal de ignición por chispa se
compone de procesos adiabáticos y a volumenconstante. l combustible
y el aire se comprimen adiabáticamente y la combustiónsubsiguiente
se ideali!a como un calentamiento a volumen constante. Los
gases
calientes se e"panden adiabáticamente# reali!ando un trabajo.
ntonces# losgases al escape disipan calor a volumen constante. n
estos ejemplosideali!ados# los procesos generalmente se consideran
reversibles. Los mismos (ya$n hay muchos más) indican que un
proceso cíclico se compone de varios
procesos individuales diferentes y su combinación depende de la
aplicación. Losejemplos sobre ciclos tienen un rasgo distintivo en
com$n% operan entre dostemperaturas límite. La temperatura elevada
resulta de un proceso de combustiónen el generador de vapor o
dentro del cilindro. La temperatura baja se debe a
procesos de enfriamiento. Las características de estos ciclos
con dostemperaturas se muestran# desde un punto de vista general#
como un depósito detransferencia de calor a temperatura elevada o
fuente a TA, y un depósito detransferencia de calor a temperatura
baja o sumidero a TB. l ciclo que operaentre esas dos temperaturas
es arbitrario.&&
El ciclo modelo para los ciclos de potencia de vapor es el ciclo
Rankine. Elciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos
de potencia devapor porque no se puede alcanzar en la práctica,
pero se usa teoricamentecomo ciclo de referencia para evaluar el
desempeño de otros ciclos y enparticular al ciclo de potencia de
vapor Rankine, haciendo lascomparaciones correspondientes para as
lo!rar caracterizar elfuncionamiento de una maquina t"rmica #a$o el
esquema de los ciclotermodinámicos.
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Ciclo de potencia de vapor de Carnot
/uede funcionar como sistema cerrado o como sistema de flu$o en
r&gimenestacionario, funciona8
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:9; ' la presión alta del estado : se comunica calor a presión
constante -y atemperatura constante., asta que el agua se encuentra
como vapor saturado en
el estado ;"
;92
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Sin duda, n se incrementa conforme ' aumenta y 'c disminuye" '
pesar de que
las eficiencias de las máquinas t&rmicas prácticas son
reducidas por lasirreversi!ilidades, a n es verdadero que sus
eficiencias se acent an cuando seaumenta la temperatura promedio a
la cual se a!sor!e el calor y cuandodisminuye la temperatura
promedio a la cual se disipa el calor"
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E% C&C%' R() &)E
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l ciclo Ean0ine es el ciclo ideal para las plantas de potencia
de vapor"
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()+%& & -E E)ER /( -E% C&C%' &-E(% R()
&)E
%os componentes del ciclo Ean0ine -!om!a, caldera, tur!ina y
condensador. sondispositivos de flu$o estacionario" %os cam!ios en
la energía cin&tica y potencialdel vapor suelen ser peque)os
respecto de los t&rminos de tra!a$o y detransferencia de calor
y, por consiguiente, casi siempre se ignoran" /or lo tanto,
seaplican las ecuaciones ;"F; y ;"F2 que corresponden a la ecuación
deconservación de la masa y a la de conservación de la energía para
flu$o
estacionario"
/ara la caldera8 Q́ H = ́m(h2 − h 1 )
/ara la tur!ina8 Ẃ T = ḿ (h 2 − h 3 )
/ara el condensador8 Q́ L= ḿ (h 4 − h 3 )
/ara la !om!a8 Ẃ B= ḿ(h 4 − h 1 )
C&C%' -E 0'1E)C&( -E 2(0'R RE(%
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n el ciclo real se consideran las irreversi!ilidades en diversos
componentes" %a
fricción del fluido y las p&rdidas de calor indesea!les acia
los alrededores son lasdos fuentes más comunes de
irreversi!ilidades"
Ge particular importancia son las irreversi!ilidades que suceden
dentro de la!om!a y la tur!ina"
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Gonde los estados :r y 2r son los estados de salida reales de la
!om!a y latur!ina respectivamente, :i y 2i son los estados
correspondientes para el casoisoentrópico" Higura ;";I"
E3&C&E)C&( 1ER4&C( -E% C&C%'
%a eficiencia t&rmica del ciclo es la eficiencia para una
máquina t&rmica
´W T − ¿ Ẃ B
Q́ H
ηt =´W neto
Q́ H = ¿
&)CRE4E)1' -E %( E3&C&E)C&( -E% C&C%' R()
&)E
%a eficiencia t&rmica del ciclo Ean0ine se incrementa
elevando la temperaturapromedio a la cual se a)ade calor al fluido
de tra!a$o yJo disminuyendo la
temperatura promedio a la cual se rec aza el calor acia el medio
de enfriamiento,como un lago o un río" %a temperatura promedio
durante el rec azo de calor sereduce !a$ando la presión de salida
de la tur!ina" n consecuencia, la presión delcondensador esta
!astante por de!a$o de la presión atmosf&rica es
decircorresponde a presión de vacío" %a temperatura promedio
durante la adición decalor se incrementa elevando la presión de la
caldera o so!recalentando el fluidoaltas temperaturas" Sin em!argo,
ay un límite para el grado de
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