Embed Size (px)
DESCRIPTION
ciclos termodinamicos:redoxdiesel
Citation preview
INTRODUCCIÓN
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos
tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa 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.
La obtención de trabajo a partir de dos fuentes térmicas a distinta temperatura se
emplea para producir movimiento, por ejemplo en los motores o en los
alternadores empleados en la generación de energía eléctrica. El rendimiento es el
principal parámetro que caracteriza a un ciclo termodinámico, y se define como el
trabajo obtenido dividido por el calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo
de ciclo completo si el proceso es continuo.
Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de
obtención de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la
trasferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, al revés
de como sucedería naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de
aire acondicionado y en refrigeración.
Ciclo Rankine
El ciclo de Rankine, Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico
escocés William John Macquorn Rankine. Es un ciclo termodinámico que tiene
como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina
un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está
acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre
los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica).
Características
El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las
centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la
mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de
las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el
rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en
el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible.
La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento
de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se
transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a
la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador.
Eficiencia
La eficiencia térmica de este ciclo Rankine ideal puede obtenerse recurriendo a la
primera ley de la termodinámica.
La diferencia de entalpía en el proceso isoentrópico puede calcularse a través de
la expresión:
El trabajo requerido por la bomba es generalmente muy pequeño comparado con
el trabajo desarrollado por la turbina. De aquí que la expresión del rendimiento
generalmente se simplifique así:
La eficiencia térmica del ciclo puede incrementarse aumentando la entalpía del
vapor suministrado a la turbina. Dicha entalpía puede incrementarse aumentando
la temperatura del vapor en la caldera. Este calentamiento puede lograrse
mediante el empleo de un sobrecalentador, el cual permite aumentar
isobáricamente la entalpía del vapor, transformándolo en vapor sobrecalentado.
La eficiencia térmica del ciclo Rankine también puede incrementarse
disminuyendo la entalpía del vapor a la descarga de la turbina. Esta disminución
generalmente se logra disminuyendo la presión de operación de condensador. Sin
embargo, una disminución de la presión de descarga trae como consecuencia un
aumento en la humedad del vapor descargado por la turbina. Esta consecuencia
es significativa si se considera que una humedad excesiva en los últimos pasos de
la turbina origina una disminución en el rendimiento de ésta, y puede dar origen a
la erosión de los alabes.
Proceso
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico
que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que
alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos
de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos).
Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una
caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para
generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un
generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El
vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador,
equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor
es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río
o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del
fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando
de esta manera el ciclo.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como
por ejemplo, sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina,
recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación
a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales
termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores
cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de
centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales
fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían
los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.
Campo de aplicación.
En las centrales térmicas de vapor, se utiliza la energía térmica del vapor de agua
en una turbina de vapor para accionar el generador. La caldera de vapor consume
a su vez combustibles convencionales, como petróleo, gas natural, hulla o lignito.
Ventajas
La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es
decir, el trabajo entregado a la turbina.
-Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la
presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el
rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad
excesiva que aparece.
-Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es,
tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento
mediante recalendatores. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los
cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
-Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye
automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la
turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad
del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
-Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el
vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene
como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está
limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.
- Producen mucha energía.
- Producción de energía relativamente rentable.
- Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la construcción.
Desventajas
-Es impráctico utilizar el ciclo con fluidos que sufran cambios en sus fases.
-Es difícil comprimir isotrópicamente una mezcla con 2 fases.
-El proceso de condensación tendría que controlarse con mucha precisión para
lograr al final las características deseadas.
- Los gases producidos en la combustión contaminan la atmósfera.
- El agua usada para la refrigeración queda contaminada.
- En los procesos de limpieza de la central se producen muchos residuos.
- Uso de combustibles fósiles (no renovables).
Diagrama T-s del ciclo
El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos
isoentrópicos y dos isobáricos. Los estados principales del ciclo quedan definidos
por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla
bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido
subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal
(procesos internamente reversibles):
- Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la
presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina
de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
- Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo
hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el
estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de
calor), idealmente sin pérdidas de carga.
- Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida
mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la
presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
- Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante
en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta
la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y
finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta
presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo ( la potencia
neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero
ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.
En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la
bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera
presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento
térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado
de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un
papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento.
El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el
condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción
de rendimiento del ciclo.
En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine
ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene
en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un
compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente
unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se
produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o
combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que
los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas
natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de
ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su
configuración más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que
abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine
(sustituyendo a la caldera).
Ecuaciones
Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y
del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la
eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la
relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.
Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo que nos
permite conocer los flujos másicos de refrigerante y gasto de combustible
respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad
del ciclo y energía perdida.
-Variables:
= Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)
= Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
=Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de
tiempo)
=Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el
ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)
, ,
, =Entalpías específicas de los estados principales del ciclo
¿Cómo incrementar la eficiencia del ciclo rankine?
Pequeños aumentos en la eficiencia térmica significan grandes ahorros en los
requerimientos de combustible.
La T promedio del fluido debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y
lo más baja posible durante el rechazo de calor.
Hay tres maneras de lograr esto en el ciclo ideal de Rankine simple:
-Reducción de la presión del condensador:
La reducción de la presión de operación del condensador reduce
automáticamente la temperatura del vapor, en consecuencia, es la
temperatura a la cual el calor se rechaza.
Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los
condensadores de las plantas de energía de vapor suelen operar muy por
debajo de la presión atmosférica, puesto que los ciclos de potencia de
vapor operan en un circuito cerrado.
-Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas:
Es posible elevar la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor
a altas temperaturas. Tiene un efecto disminuye el contenido de humedad
del vapor a la salida de la turbina. La temperatura a la que el vapor se
sobrecalienta está limitada por consideraciones metalúrgicas.
-Incremento de la presión de la caldera:
Otra manera de aumentar la temperatura promedio durante el proceso de
adición de calor es incrementar la presión de operación de la caldera, lo
que eleva automáticamente la temperatura de ebullición (promedio), a la
que se le añade calor al vapor, y de ese modo se incrementa la eficiencia
térmica del ciclo.
Ciclo rankine con fluido orgánico
El proceso de ciclo orgánico de Rankine (OCR) es similar al ciclo básico de
Rankine pero en vez de agua utiliza un aceite orgánico o fluido orgánico en una
caldera de baja temperatura como fluido intermedio.
La temperatura de operación está entre 70 ºC y 300 ºC. Debido a las propiedades
físicas del fluido orgánico, la expansión del vapor saturado no conduce a la zona
de vapor húmedo, sino que queda en la zona de vapor sobrecalentado.
Para incrementar la eficiencia puede utilizarse un regenerador entre la turbina y el
condensador para precalentar el aceite orgánico. Además, puede utilizarse un
economizador para recuperar el calor de los gases de escape de la caldera.
Gracias a las bajas temperaturas, el aceite orgánico puede calentarse
directamente en una caldera.
Puesto que no se requiere una caldera de vapor, los costes de inversión y
mantenimiento son considerablemente menores que en plantas de vapor. Otra
ventaja frente a las turbinas de vapor convencionales es la posibilidad de operar a
cargas parciales en un rango entre el 30% y el 100% de plena carga. Los ORC
son bien conocidos para aplicaciones geotérmicas, pero hay pocas aplicaciones
de combustión de biomasa.
Ciclo Otto
El ciclo de Otto, es el ciclo ideal para las maquinas reciprocantes de encendido de
chispa. Recibe este nombre en honor a Nicolaus Otto, quien en 1872 fabrico con
éxito un motor de 4 tiempos.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión
interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en
una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
Características
El motor Otto de cuatro tiempos pertenece al grupo de motores térmicos de
combustión interna, consume una mezcla de aire combustible que ha sido
previamente preparada.
Su ciclo de funcionamiento se realiza en cuatro tiempos:
-admisión (1).
-compresión (2).
-expansión (3).
-escape (4).
En la fase de admisión (1), la válvula de admisión se abre y el pistón se desplaza
hacia abajo en el cilindro, aspirando la mezcla de combustible y aire. La válvula de
admisión se cierra cerca del final de la carrera de admisión y el pistón se mueve
hacia arriba del cilindro, comprimiendo (2) la mezcla. Al aproximarse el pistón a la
parte superior del cilindro en la carrera de compresión, se enciende la bujía y la
mezcla se inflama. Los gases de la combustión se calientan y expansionan (3) con
gran rapidez, lo que aumenta la presión en el cilindro, forzando al pistón de nuevo
a bajar en lo que se denomina carrera de expansión o motriz. La válvula de
escape (4) se abre y forzados los gases por la subida del pistón pasan a través de
ella para salir al exterior del cilindro.
Características mecánicas, térmicas y volumétricas
Las características esenciales que definen a los motores de explosión de
combustión interna son:
-Forma de realizar la carburación: El llenado de los cilindros se realiza con la
mezcla aire-combustible, la cual se prepara en el exterior de los cilindros por
medio del carburador, o los sistemas de inyección, para después ser comprimida
en el interior de los mismos. Debido a esta forma de carburación los motores
necesitan consumir combustibles ligeros y fácilmente vaporizables, para que la
mezcla se realice en perfectas condiciones de carburación y para obtener así una
rápida combustión.
-Relación de compresión y potencia: Debido a los combustibles utilizados, la
relación de compresión en estos motores no puede ser elevada, ya que está
limitada por la temperatura alcanzada por la mezcla durante la compresión en el
interior del cilindro, la cual no puede ser superior a la temperatura de inflamación
de la mezcla. Estas relaciones de compresión limitan la potencia de estos
motores. Sin embargo, la preparación de la mezcla fuera del cilindro, con tiempo
suficiente durante la aspiración y compresión para obtener una buena carburación
de la misma, permite una rápida combustión, con lo que se puede obtener un
elevado número de revoluciones en el motor.
-Forma de realizar la combustión: Otra de las características esenciales de estos
motores es la forma de realizar su combustión (volumen constante). Esta se
produce cuando el embolo se encuentra en el punto de máxima compresión y se
realiza de una forma rápida, por capas como si fuera una explosión, pero sin que
los gases puedan expansionarse o sea, aumentar su volumen. Esto hace que la
presión y la temperatura interna se eleven extraordinariamente al final de la
combustión y se alcancen presiones considerables (40 a 70 kgf/cm2) que ejerce
un empuje notable sobre el pistón, desplazándolo para realizar el trabajo motriz.
-Forma de encendido: Estos motores se caracterizan por la forma de encendido, el
cual se produce por ignición de la mezcla a través de una chispa eléctrica, que
hace expansionar los gases una vez iniciada la combustión.
Eficiencia
La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la
relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la
cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la
mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores,
como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere
la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación.
Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de
octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta
requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la
detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de
producirse la chispa en la bujía.
El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%,
inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del
30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión.
Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar
variando la entrega de potencia constantemente. Debido a esto el rendimiento de
los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial (cuanto menos carga
porcentualmente, peor rendimiento), ya que, cuando esto sucede la cámara de
compresión mantiene su volumen dando una compresión real baja y
transformando gran parte de la energía en calor.
Algunos fabricantes han fabricado motores con sistemas de compresión variable,
pero siempre dedicado a variar de aproximadamente 7:1 a 14:1 y en relación a las
RPM.
Para conseguir buenas eficiencias sería necesario variar la compresión desde 1:7
hasta 1:140 en casos de carga del 10% y hacerlo en relación a la cantidad de aire
introducida para evitar detonaciones anticipadas.
Campo de aplicación
-Utilizados en aplicaciones autónomas empleándose en los automóviles, motos y
demás vehículos terrestres.
-En aplicaciones estacionarias, se emplean en grupos generadores de energía
eléctrica, normalmente de emergencia, entrando en funcionamiento cuando falla el
suministro eléctrico, y para el accionamiento de máquinas diversas generalmente
cuando no se dispone de alimentación eléctrica.
Ventajas
-El uso de combustibles líquidos, de gran poder calorífico, lo que proporciona
elevadas potencias y amplia autonomía. Estos combustibles son principalmente la
gasolina motores
-Rendimientos aceptables, aunque raramente sobrepasan el 50% (rendimientos
del 100% son imposibles).
-Amplio campo de potencias, desde 0,1 kW hasta más de 30 MW
Desventajas
-Combustible empleado. Estos motores están alimentados en su mayoría por
gasolina o diesel, dos derivados del petróleo que como sabemos es un recurso no
renovable.
-Contaminación. Los gases de la combustión de estos motores son los principales
responsables de la contaminación en las ciudades.
-En algunas aplicaciones (motor alternativo) automóviles eléctricos, las
prestaciones del vehículo son notablemente inferiores a las proporcionadas por un
motor de combustión interna por lo que su demanda es muy reducida.
Ecuaciones
El rendimiento del ciclo de Otto, como el de cualquier otra máquina térmica, viene
dado por la relación entre el trabajo total realizado durante el ciclo y el calor
suministrado al fluido de trabajo:
La absorción de calor tiene lugar en la etapa 23 y la cesión en la 41, por lo que :
Suponiendo que la mezcla de aire y gasolina se comporta como un gas ideal, los
calores que aparecen en la ecuación anterior vienen dados por:
Ya que ambas transformaciones son isocoras.
Sustituyendo en la expresión del rendimiento:
Las transformaciones 12 y 34 son adiabáticas, por lo que:
Puesto que V2 = V3 y V4 = V1.
Restando,
La relación entre volúmenes V1/V2 se denomina relación de compresión (r).
Sustituyendo en la expresión del rendimiento se obtiene:
El rendimiento expresado en función de la relación de compresión es:
Cuanto mayor sea la relación de compresión, mayor será el rendimiento del ciclo
de Otto.
Ciclo de Otto real
En la práctica, ni las transformaciones adiabáticas del ciclo de Otto son
adiabáticas (isentrópicas) ni las transformaciones isocoras de la animación
anterior tienen lugar a volumen constante.
En la siguiente figura se ha representado un esquema del ciclo real de Otto
superpuesto con el ideal analizado en las secciones anteriores.
En la figura están indicados de forma aproximada los puntos del ciclo donde tienen
lugar la explosión y el escape respectivamente.
CONCLUSIÓN
El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo
de calor con la producción de trabajo.Este ciclo se concibe como un recurso para
emplear las características del agua como fluido de trabajo y manejar el cambio de
fase entre líquido y vapor.
En la industria vimos ventajas prácticas, tales como procedimientos de arranque-
parada simples, operación silenciosa, requerimientos de mantenimiento mínimos,
buen rendimiento de carga de las piezas.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.monografias.com/trabajos7/rank/rank.shtml#intro#ixzz3hhgyxFhH
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine
https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Thermodynamic_cycles
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine#Ecuaciones
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine#Variables
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclos_Rankine_con_fluido_org%C3%A1nico
http://www.infoambiental.es/html/files/pdf/amb/R101-82.pdf
www.mdpi.com/journal/energies
http://latinoamericarenovable.com/?p=4365
http://html.rincondelvago.com/ciclo-otto-o-de-cuatro-tiempos.html
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Otto#Eficiencia
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Otto
http://es.slideshare.net/velmo_999/aplicaciones-del-ciclo-de-otto
