PPT 8 CICLOS DE POTENCIA 1

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Mg: Victor Astuñaupa Balvín Víctor 
SESIÓN:8 
CICLO DEPOTENCIA 
TERMODINÁMICA
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INTRODUCCIÓN
En esta sesión veremos el ciclo de potencia con el cual operan algunos sistemas termodinámico, llamados como ciclos de potencia y de refrigeración estos ciclos termodinámicos se pueden clasificar como ciclos de gas y de vapor dependiendo de la fase de fluido con el trabajan. 
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CAPACIDAD
Determina los balances de energía en sistemas ciclos en función del tipo de fuente energético 
https://www.youtube.com/watch?v=0vcLGEZDAME
VIDEO: CICLO DE CARNOT
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Ciclos de Potencias 
Ciclo de vapor de Carnot
Ciclo de Rankine 
Maquinas térmicas
Rendimiento. 
CONTENIDO TEMÁTICO
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CICLO DE POTENCIA
Dos áreas importantes de aplicación de la termodinámica son la generación de potencia y la de refrigeración, Sistema termodinámicos que operan en ciclos, estos ciclos se dividen en dos categorías llamados ciclos de potencia y ciclos de refrigeración. 
Los dispositivos o sistemas que se usan para producir la salida neta potencia se llaman motores o maquinas térmicas. Y los ciclos termodinámicos con los que operan se llama ciclo de potencia 
Los ciclos termodinámicos se pueden clasificar como ciclos de gas y de vapor dependiendo de la fase de fluido de trabajo. 
En los ciclos de gas el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa en todo el ciclo de trabajo. 
En los ciclos de vapor el fluido de trabajo permanece en la fase vapor y liquido en el ciclo de trabajo. 
Los ciclos termodinámicos se pueden clasificar como ciclos cerrado y abiertos 
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En los ciclos cerrado el fluido de trabajo vuelve al estado inicial y se recircula 
En los ciclos abierto el fluido de trabajo se renueva al final de cada ciclo en vez de recircularse 
En los motores de automóvil los gases de combustión escapan y se reemplazan con nueva mezcla aire – combustible al final de cada ciclo 
CICLO DE POTENCIA
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Las idealizaciones y simplificaciones empleadas comúnmente en el análisis
de los ciclos de potencia, se resume del siguiente modo:
El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no
experimenta ninguna caída de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor. 
1. 
Todos los procesos de expansión y compresión ocurren en la forma de
cuasiequilibrio 
2. 
Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y la transferencia de calor a través de ellas es insignificante 
3. 
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EL CICLO DE CARNOT 
Se compone de cuatro procesos totalmente reversibles: adición de calor isotérmica, expansión isentrópica, rechazo de calor isotérmico y compresión isentrópica (dos isotérmicos y dos adiabáticos) y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado (un dispositivo de cilindro-émbolo ) o de flujo estacionario (usando dos turbinas y dos compresores ) y puede emplearse gas o vapor como el fluido de trabajo. 
Una máquina de Carnot de flujo estacionario 
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https://traitonmark.wordpress.com/category/termodinamica/
En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:
La presión, volumen de cada uno de los vértices.
El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.
El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.
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Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.
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EL CICLO DE CARNOT 
Es el ciclo más eficiente que puede ejecutarse entre una fuente de energía térmica a temperatura TH y un sumidero a temperatura TL, y su
eficiencia térmica se expresa como 
La transferencia de calor isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la
práctica porque requeriría intercambiadores de calor muy grandes y necesitaría mucho tiempo (un ciclo de potencia en una máquina común se completa
en una fracción de un segundo). Por lo tanto, no es práctico construir una má-
quina que opere en un ciclo que se aproxima en gran medida al de Carnot 
La eficiencia térmica aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual se suministra calor hacia el sistema o con una disminución en la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza del sistema 
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CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR 
El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes Cuatro procesos:
1-2 Compresión isentrópica en una bomba (entropía constante)
2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera
3-4 Expansión isentrópica en una turbina (entropía constante)
4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 
Vapor sobrecalentado
Condensado
completo
Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el
ciclo de Carnot. 
El agua entra como liquido saturado
El agua entra como liquido comprimido
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ANÁLISIS DE ENERGÍA DEL CICLO RANKINE IDEAL 
La bomba, la caldera, la turbina y el condensador son dispositivos de flujo estacionario (mvc=constante). 
Cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine pueden ser
analizados como procesos de flujo estacionario.
Los cambios en la energía cinética y potencial del vapor son pequeños en relación con los términos de trabajo y de transferencia de calor, de manera que son insignificantes. 
Entonces, la ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa de vapor se reduce a 
Flujo estacionario
las propiedades pueden cambiar de un punto a otro, pero en cualquier punto permanecen constantes durante todo el proceso 
Bomba (q=0)
 ; 
 ; 
La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se supone que la
bomba y la turbina son isentrópicas, entonces la relación de conservación dela energía para cada dispositivo puede expresarse como 
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ANÁLISIS DE ENERGÍA DEL CICLO RANKINE IDEAL 
La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de 
=
Donde: 
La eficiencia de conversión de las centrales eléctricas se expresa a menudo en términos de la tasa térmica, que es la cantidad en Btu decalor suministrada para generar 1 kWh de electricidad. 
Cuanto menor es la tasa térmica, más grande será la eficiencia. 
1 kWh = 3 412 Btu 
La eficiencia térmica puede expresarse como 
=
h:entalpias
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Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal
simple. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y 350°C y es condensado
a una presión de 75 kPa. Determine la eficiencia térmica de este ciclo 
75 kPa
75 kPa
3 MPa 
 Ejercicio 1 
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Se determinan las entalpías (h) en varios puntos del ciclo, utilizando
los datos de las tablas de vapor (tablas A-5 y A-6) 
Solucion
Estado 1: 
 Estado 2: 
P2 = 3MPa=3000 KPa 
S1=S2 
1 kJ =1KPa.m3
 Estado 3: 
P3 = 3MPa T=350°C 
tablas A-6
tablas A-5
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 Estado 4: 
P4=75 kPa 
(mezcla saturada) 
S4=S3 
El valor de la entropía en un estado especificado se determina del mismo
modo que se hace para cualquier otra propiedad. En las regiones del líquido
comprimido y de vapor sobrecalentado, los valores pueden obtenerse directamente de las tablas al conocer el estado especificado, mientras que para la región del vapor húmedo, se determina a partir de 
Donde x es la calidad, y los valores s y s g se listan en las tablas de saturación. 
En ausencia de datos para líquidos comprimidos, la entropía de éstos se
aproxima con la entropía del líquido saturado a la temperatura dada 
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Para determinar Sf = 1.2123 kJ/kg.K y Sfg=6.2426 kJ/kg.K tabla 5 A 
Como: 
Por lo tanto se tiene que:
=
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MÁQUINAS TÉRMICAS 
El trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas 
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1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de
petróleo, reactor nuclear, etcétera). 
2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de
una flecha rotatoria). 
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera).
4. Operan en un ciclo 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo. 
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Las máquinas relacionadas con la combustión interna, como las turbinas de gas y los motores de automóviles, entran en esta categoría. Estos
dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en un ciclo termodinámico,
porque el fluido de trabajo (los gases de combustión) no experimenta un ciclo
completo 
El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una
máquina térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de
combustión externa, es decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor 
La salida de trabajo neto 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
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Recuerde que para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía interna 𝝙U es cero y, en consecuencia, la salida de trabajo neto del sistema también es iguala la transferencia neta de calor hacia el sistema 
Eficiencia térmica 
Para las máquinas térmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras
que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido
de trabajo. Entonces la eficiencia térmica de una máquina térmica se puede
expresar como 
Los dispositivos cíclicos de interés práctico como las máquinas térmicas,
los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura (o depósito) a temperatura TH y otro de baja temperatura (o depósito) a temperatura TL 
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Se transfiere calor a una máquina térmica desde un horno a una tasa de 80
MW. Si la tasa de rechazo de calor hacia un río cercano es 50 MW, determine
la salida de potencia neta y la eficiencia térmica para esta máquina térmica 
Solución
Ejercicio 2
La salida de potencia neta 
La eficiencia térmica se determina 
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Esquema de una máquina térmica 
QH magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH 
QH magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura TL 
La eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor a la unidad porque QL y QH se definen como cantidades positivas 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
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	Código de biblioteca	LIBROS/REVISTAS/ARTÍCULOS/TESIS/PÁGINAS WEB.TEXTO
	536.7/C43a
 	YUNUS &BOLES, Gen gel-Michael. “Termodinámica”. 5ª. Edición. México-Editorial Mc Graw Hill-2006-990 p- ISBN: 970-10-5611-6
	536.7-R7
 	- ROLLE, Kart:”Termodinámica”-6ª.Edición-México- Editorial Pearson Educación- 2006- 768 p.- ISBN: 970-26-0757-4
 
	536.7-W26
 	-KENNETH & DONAL, Wark-Richards:”Termodinámica”-6ª- Edición- España-McGraw Hill- 2001- 1048 p.-ISBN: 84-481-2829-X
 
	 	http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html
 
	 	 https://deisysegura.wordpress.com/fisica-termodinamica/calor/4-e-la-primera-ley-de-la-termodinamica-aplicaciones-de-la-primera-ley/
	 	 https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/glussac.html
https://www.youtube.com/watch?v=Jktv9KP3eYc
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