UNIDAD - CICLOS DE VAPOR_DIAPOSITIVAS

Vista previa del material en texto

TERMODINÁMICA
CI
CL
O
S 
D
E 
VA
PO
R 
 CARNOT
RANKINE
HIRN
FERRANDI
COTERILL
TERMODINÁMICA
Es el ciclo más sencillo con el que se obtiene el máximo rendimiento térmico operando con 
dos fuentes a diferentes temperaturas.
TERMODINÁMICA
 Trabajo útil: diferencia entre el producido por la turbina 
y el consumido por el compresor:
𝑳𝒖 = 𝑳𝑻 − 𝑳𝒄
 Rendimiento térmico
𝜼𝑻 =
𝜺𝒑
𝜺𝒄
=
𝑳𝑻
𝑸𝟏
=
𝑸𝟏 −∣ 𝑸𝟐 ∣
𝑸𝟏
→ 𝜼𝑻 = 𝟏 −
∣ 𝑸𝟐 ∣
𝑸𝟏
Verifica 𝜼𝑻𝑹 = 𝟏 −
𝑻𝒄𝒐𝒏𝒅𝒆𝒏𝒔𝒂𝒄𝒊ó𝒏
𝑻𝒔𝒂𝒕 𝒄𝒂𝒍𝒅
 Rendimiento exergético:
𝜼𝒆𝒙 =
𝜺𝒙𝒑
𝜺𝒙𝒄
=
𝑳𝒖
𝑸𝒖𝟏 − 𝑸𝒖𝟐
𝑳𝒖 = 𝑳𝑻 − 𝑳𝒄
𝑸𝒖𝟏 = 𝑸𝟏 − 𝑻𝟎 ∗ ∆𝑺𝟏 𝟐
𝑸𝒖𝟐 = 𝑸𝟐 − 𝑻𝟎 ∗ ∆𝑺𝟑 𝟒
𝜼𝒆𝒙 (𝒓) = 𝟏
 Relación de trabajo:
𝒓𝒍 =
𝑳𝒕 − 𝑳𝒄
𝑳𝒕 + 𝑳𝒄
≪ 𝟏
Una gran parte del trabajo suministrado por la turbina es 
consumida por el compresor.
Disminuiría aún más para una instalación real; pues la turbina 
real producirá menos trabajo que la ideal; y el compresor real 
consumirá más L que para el ideal.
CICLO DE CARNOT
TERMODINÁMICA
TERMODINÁMICA
Diferencias con Carnot
Del condensador sale L.S. en vez de V.H
Mediante una bomba, al L.S. que sale del condensador, se le incrementa la presión y se lo introduce en la caldera.
Entre 4 y 5 hay una diferencia de presión únicamente, pues la bomba no modifica significativamente la temperatura 
del líquido, dado que Tcond<<<< Tk, no se aprecia la diferencia de entropía debido a la diferencia de (p) y (T) y 
aparecen casi superpuestos
El agua que entra a la caldera está a Tcond (en 5)
1º Hay que calentar hasta Tsat (de 5 a 1). 
2º vaporizar de 1 a 2.
CICLO DE RANKINE
TERMODINÁMICA
Gran diferencia con Carnot: se necesitan no solo 2 fuentes térmicas (T1 y T2) sino también infinitas fuentes de calor a todas 
las Tintermedias entre Tsat y Tcond.
Área sombreada: equivale a infinitos ciclos de Carnot entre la misma fuente fría (Tcond) y diferentes fuentes calientes 
(T intermedias).
Son ciclos con menor ηT que Carnot básico pues, se puede efectuar entre temperaturas superiores a Tsat.
𝜼𝑻 =
𝜺𝒑
𝜺𝒄
=
𝑳𝑻
𝑸𝟏
⇒Q1 (Rankine) > Q1 (Carnot)
𝜼𝑻 𝑹𝒂𝒏𝒌𝒊𝒏𝒆 < 𝜼𝑻(𝑪𝒂𝒓𝒏𝒐𝒕)
 Relación de trabajo:
𝒓𝒍 =
𝑳𝒕 −∣ 𝑳𝒃 ∣
𝑳𝒕 +∣ 𝑳𝒃 ∣
≅ 𝟏
Más conveniente que el ciclo de Carnot.
CICLO DE RANKINE
TERMODINÁMICA
Se sobrecalienta el vapor antes de entrar a la turbina para que no contenga humedad excesiva a la salida 
de la turbina. Se lo hace a p = cte =pcald
Se obtiene al final de la expansión (4) un título elevado.
TERMODINÁMICA
Resultados del sobrecalentamiento
Aumenta Lútil porque ha aumentado el salto entalpico ∆h3-4
Aumenta Q a suministrar para describir el ciclo (ahora hay Q’’)
Área rayada: equivale a ∞ ciclos de Carnot todos con igual fuente fría (Tcond) y diferentes fuentes calientes (T>Tsat); 
por tanto implica ηT mayor que Carnot básico. Aumenta ηT.
Existe un límite en la TSobrec, dado por las propiedades de los materiales con que se construyere los 
sobrecalentadores (disminuye su RMecánica)
Al existir ese límite de temperatura, motivo que no puede superarse una cierta (p) y su (T) de vaporización, si se 
aumenta pcald entonces se obtiene un vapor con más humedad a la salida de la turbina (x4’<x4). Pierde el sentido el 
sobrecalentamiento.
Para mayores (p) de vaporización hay que recurrir al ciclo con recalentamiento intermedio.
CICLO DE HIRN
TERMODINÁMICA
VSS se sobrecalienta hasta la Tmáx admisible a p = cte =pcald luego se expande en un primer cuerpo de la 
turbina hasta pi (pcald>p>pcond) 
Después va a un recalentador que lo sobrecalienta a p = cte =pi hasta la Tmáx admisible luego penetra en 
el 2º cuerpo de la turbina y se expande hasta pcond.
TERMODINÁMICA
CICLO DE FERRANDI
 Trabajo: 𝑳𝒕 = (𝒉𝟑 − 𝒉𝟒) + (𝒉𝟓 − 𝒉𝟔)
 Lb = v´* (PCald – PCond) 
 LÚtil crece con el recalentamiento intermediario
 Calor a suministrar: 𝑸𝟏 = 𝑸𝟏’ + 𝑸𝟏’´
𝑄 ’ + 𝑄 ’’: Calor para calentar el líquido y vaporizarlo 
(h2-h8)
𝑄 ’’’: Calor al sobrecalentar a p=cte. (h3 - h2)
𝑄 ’’’’: Calor para recalentar el vapor a p=cte (h5 – h4)
 Rendimiento térmico:
𝜼𝑻 =
𝑳𝑻
𝑸𝟏
Será mejor que en ciclos sin recalentamiento 
intermedio (efectuados a las mismas p extremas) 
siempre que se elija correctamente pi
Para que la zona A tenga igual rendimiento que la 
zona B ⇒ 𝑻𝟒 = 𝑻𝟏 = 𝑻𝒔𝒂𝒕
Si fuera menor habría una parte de B con nuevos 𝜂
que A y el ciclo con recalentamiento podrían llegar a 
tener menor rendimiento que aquel sin 
recalentamiento. 
TERMODINÁMICA
Corrige el bajo rendimiento producto de la calefacción del líquido antes de entrar en la caldera de los 
ciclos de Rankine
Se logra ese calentamiento sin necesidad de que el calor se suministre desde el medio al fluido
Extracción de sangría de vapor para precalentar el líquido antes de ingresarlo a la caldera. Con esto se 
busca disminuir considerablemente el consumo de combustible
TERMODINÁMICA
CICLO DE COTERILL
Haciendo varias extracciones de vapor a diferentes 
presiones para precalentar el agua de alimentación 
de la caldera, se podrá aproximar al ciclo 
regenerativo ideal.
Para infinitas extracciones = ciclo reversible ⇒ Imposible
Mas extracciones ⇒ Instalación más compleja ⇒ Dependerá
de la potencia de la planta 
𝑄 = ∆𝐻 + 𝐴 ∗ 𝐿𝑐 = 0
∆𝐻 = 0 
𝐻𝑒𝑛𝑡 = 𝐻𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
ℎ ∗ 1 + 𝐺𝑥 ∗ ℎ = 1 + 𝐺𝑥 ∗ ℎ 
 ℎ + 𝐺𝑥 ∗ ℎ = ℎ + 𝐺𝑥 ∗ ℎ
ℎ + 𝐺𝑥 ∗ ℎ − ℎ − 𝐺𝑥 ∗ ℎ = 0
𝐺𝑥 =
ℎ − ℎ
ℎ − ℎ
𝐿𝑡 = (1 + 𝐺𝑥) ∗ (ℎ − ℎ ) + (ℎ − ℎ )