Termodinámica 2
TERMODINÁMICA 2
La termodinámica como la rama de
la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras
manifestaciones de la energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir
de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue
un método experimental El objetivo primordial del curso de termodinámica 2 se
centra en el estudio de los ciclos termodinámicos.
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier
serie de procesos termodinámicos en los que un sistema parte de una situación
inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial. Como procesos
termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades termodinámicas del
sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un estado
inicial a un estado final.
El estudio se centrará en las relaciones termodinámicas de trabajo y potencia, flujos de calores; aportadas o producidas por el ciclo en cuestión. Los ciclos a estudiar son:
- Generadores de potencia por medio de vapor.
- Generadores de potencia por medio de aire estándar.
- Refrigeración por compresión.
También se estudiara otras implicaciones relacionadas a estos tres tipos de ciclos, como son:
- La generación de Vapor
- Las reacciones químicas y de combustión.
- Las mezclas de gases-aire-vapor.
TEMA # 1. CICLOS DE GENERACIÓN DE POTENCIA POR VAPOR
CICLO RANKINE SIMPLE
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). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.
El diagrama T-s de un ciclo
Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos
isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos
isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el
condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los
estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el
diagrama T-s (2: vapor sobrecalentado; 3: mezcla bifásica de título elevado o
vapor húmedo; 4: líquido saturado; 1: líquido subenfriado).
CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO
El sobrecalentamiento tiene la
ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad del vapor a la salida de
la turbina. Sin embargo, al disminuir la presión de escape o elevar la presión
de la caldera se aumenta el contenido de humedad. Para aprovechar las mejores
eficiencias a presiones más altas en la
caldera y presiones menores en el condensador, el vapor suele recalentarse
después de que se expande parcialmente en la turbina de alta presión (T.A.P), como
nuestra la Figura de abajo.
Esto se logra recalentando el
vapor nuevamente en la caldera, después de haberse expandido en la turbina de
alta presión. El vapor recalentado sale de la caldera y se expande en la turbina
de baja presión (T.B.P) hasta la presión del condensador. El recalentamiento disminuye
el contenido de humedad a la salida de la turbina.
CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN
Otra manera de aumentar la
eficiencia térmica del ciclo Rankine es por medio de la regeneración. Durante
un proceso de este tipo, el agua líquida (agua de alimentación) que sale de la
bomba se calienta mediante algo de vapor extraído de la turbina a cierta
presión intermedia en dispositivos denominados calentadores de agua de
alimentación. Figura mostrada abajo.
Las dos corrientes se mezclan en calentadores de
agua de alimentación abiertos, y la mezcla sale como un líquido saturado a la
presión del calentador. En calentadores de agua de alimentación cerrados, el
calor se transfiere del vapor al agua de alimentación sin mezcla. Por tanto, un
calentador de agua de alimentación abierto es, en esencia, una cámara de mezcla.
Problemas resueltos de Ciclo Rankine:
TEMA # 2 GENERADORES DE VAPOR
Un
generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía
química, se transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las
turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía
suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine
modificado y, en su caso, producir electricidad. Los generadores de vapor se
diferencian de las calderas por ser mucho más grandes y complicados.
TEMA # 3 CICLOS DE GENERACIÓN DE POTENCIA DE AIRE ESTÁNDAR
En los ciclos reales productores de trabajo con gas, el
fluido consiste principalmente de aire,
más los productos de la combustión como el dióxido de carbono y el vapor de
agua. Como el gas es predominantemente aire, sobre todo en los ciclos de las
turbinas de gas, es conveniente examinar los ciclos de trabajo con gas en
relación a un ciclo con aire normal. Un ciclo con aire normal es un ciclo
idealizado que se basa en las siguientes aproximaciones:
- El fluido de trabajo se identifica exclusivamente como aire durante todo el ciclo y el aire se comporta como un gas ideal.
- Cualquier proceso de combustión que ocurriese en la práctica, se sustituye por un proceso de suministro de calor proveniente de una fuente externa.
- Se usa un proceso de desecho o eliminación de calor hacia los alrededores para restaurar el aire a su estado inicial y completar el ciclo.
Otra condición adicional que se puede imponer en el estudio,
es considerar los calores específicos CP y CV constantes y medidos a la
temperatura ambiente.
Entre los ciclos de potencia por aire tenemos:
Ciclo Brayton
En un ciclo de una turbina de
gas, se usa distinta maquinaria para los diversos procesos del ciclo.
Inicialmente el aire se comprime adiabáticamente en un compresor rotatorio
axial o centrífugo. Al final de este proceso, el aire entra a una cámara de
combustión en la que el combustible se inyecta y se quema a presión constante.
Los productos de la combustión se expanden después al pasar por una turbina,
hasta que llegan a la presión de los alrededores. Un ciclo compuesto de estos
tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto, porque el ciclo no se completa en
realidad. Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque
continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor. Si se desea examinar
un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido al pasar
por la turbina deben pasar por un intercambiador de calor, en el que se desecha
calor del gas hasta que se alcanza la temperatura inicial. El ciclo cerrado de
la turbina de gas se muestra en la Figura.
En
el ciclo Brayton se supone que los procesos de compresión y expansión son isoentrópicos
y que los de suministro y extracción de calor ocurren a presión constante. La
Figura siguiente se muestra Pv y Ts de
este ciclo idealizado.
El ciclo Brayton está integrado
por cuatro procesos internamente reversibles:
- 1-2 Compresión isoentrópica en un compresor.
- 2-3 Adición de calor a P=constante.
- 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina.
- 4-1 Rechazo de calor a P=constante.
Aplicando la primera ley para
flujo estable a cada uno de los procesos se puede determinar tanto el calor
como el trabajo transferido durante el ciclo. Los procesos de 1-2 y 3-4 son
isoentrópicos y P2 = P3 y P4 = P5.
Ciclo Otto con Aire Normal
El
ciclo Otto es el ciclo ideal para el motor de cuatro tiempos con ignición o
encendido por chispa. El análisis termodinámico del ciclo de cuatro tiempos
real descrito, no es una tarea sencilla. Sin embargo, el análisis puede
simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de aire
normal. El ciclo que resulta y que se asemeja mucho a las condiciones de
operación reales es el ciclo ideal de Otto.
Este se compone de cuatro procesos
reversibles.
- 1-2 Compresión isoentrópica
- 2-3 Adición de calor a volumen constante
- 3-4 Expansión isoentrópica
- 4-5 Rechazo de calor a volumen constante
Ciclo Diésel de Aire Normal
Es el ciclo ideal para las
máquinas reciprocantes de encendido por compresión. En los motores de encendido
por compresión, el aire se comprime hasta una temperatura superior a la
temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión se inicia cuando
el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. En consecuencia, en
estos motores no existe bujía sino un inyector de combustible. Usando
relaciones de compresión en la región de 14:1 a 24:1 y al usar combustible Diesel
en lugar de gasolina, la temperatura del aire dentro del cilindro excederá la
temperatura de ignición al final del tiempo de compresión.
El ciclo teórico Diesel de un
motor reciprocante se muestra en la Figura en diagramas PV y Ts. Igual que el
ciclo Otto, está compuesto de cuatro procesos internamente reversibles. La
única diferencia entre ambos ciclos es que el ciclo Diesel modela la combustión
como un proceso que ocurre a presión constante, mientras que el ciclo de Otto
supone que se suministra calor a volumen constante.
Ciclo Dual de Aire Normal
Representa mejor los motores
actuales de encendido por compresión. El proceso de suministro de calor se
realiza una parte a volumen constante similar al ciclo Otto y otra parte a
presión constante similar al ciclo Diesel, el resto del ciclo es similar a los
ciclos Otto y Diesel. Este ciclo también se conoce como ciclo Semi-Diesel. Trabaja
a menores rv que el ciclo Diesel. Se debe precalentar el combustible para que
pase al punto de autoignición de la mezcla. Modela mejor la parte superior
del diagrama P – V real.
Procesos de un ciclo mixto están
dadas como:
- 1 – 2 Compresión adiabática reversible, S1 = S2
- 2 – 3 Absorción de Calor a V = Constante.
- 3 – 4 Absorción de Calor a P = Constante.
- 4 – 5 Expansión adiabática reversible, S4 = S5.
- 5 – 1 Rechazo de Calor a P = Constante.
Algunos enlaces que puedes revisar sobre éste tema:
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