T 05 OCW

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Tema
05.
Ciclos
de
Potencia

Termodinámica
y
Máquinas
Térmicas

Inmaculada
Fernández
Diego

Severiano
F.
Pérez
Remesal

Carlos
J.
Renedo
Estébanez

DPTO.
DE
INGENIERÍA
ELÉCTRICA
Y
ENERGÉTICA

Este
tema
se
publica
bajo
Licencia:

CreaJve
Commons
BY‐NC‐SA
3.0

2 
T 05.- Ciclos de Potencia 
Objetivos: 
Este tema es el más extenso, en él se estudian los ciclos termodinámicos, 
destinados a la obtención de potencia o trabajo. En primer lugar se abordan 
los ciclos de vapor, para finalizar con los ciclos de gas. Se estudiarán tanto los 
ciclos simples como los mejorados con recalentamiento, regeneración, 
extracción, o refrigeración intermedia 
El tema se complementa con una práctica de laboratorio sobre la simulación 
por ordenador de ciclos termodinámicos de potencia 
TERMODINÁMICA Y MÁQUINAS TÉRMICAS 
3 
1.- Introducción 
2.- Ciclos de Vapor 
2.1.- Ciclo de Carnot 
2.2.- Ciclo Rankine 
2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración 
2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento 
2.6.- Ciclo Rankine supercrítico 
2.7.- Pérdidas en el ciclo Rankine 
3.- Ciclos de Aire 
3.1.- Compresores 
3.2.- Ciclo de aire estándar 
3.3.- Ciclo de Carnot 
3.4.- Ciclo Otto 
3.5.- Ciclo Diesel 
3.6.- Ciclo Dual 
3.7.- Ciclos Ericson y Stirling 
3.8.- Ciclo Brayton 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo 
3.10.-Ciclo Brayton con recalentamiento 
3.11.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración 
4.- Máquinas Térmicas 
 4.1.- Turbinas de vapor 
 4.2.- Motores de combustión 
 4.3.- Turbinas de gas 
 4.4.- Motor Stirling 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4 
Los ciclos termodinámicos son la base de la utilización energética 
En los ciclos de potencia: 
•  Se extrae calor (combustible), QFC, de un foco a alta temperatura, TFC 
•  Se obtiene trabajo útil, W 
•  Se cede calor residual QFF, a un foco a baja temperatura, TFF 
 (aire ambiente, o agua de mar, de un río, …) 
Se cumple la condición de equilibrio de la energía: 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
1.- Introducción (I) 
[T2] Sist. Ab. 
5 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (I) 
Turbina 
Condensador 
Bomba 
Caldera 
Qc 
3 
4 
2 
1 
WB 
Chimenea 
Humos 
Combustible 
Aire 
Generador 
B. 
Torre de 
Refrigeración 
Vapor de 
agua 
Identificación 
de puntos 
Turbina 
Condensador 
Bomba 
Caldera 
Qc 
QF 
3 
4 
2 
1 
WT 
WB 
6 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (II) 
Identificación 
de puntos 
Por unidad 
de masa 
Turbina 
Condensador 
Bomba 
Caldera 
Qc 
QF 
3 
4 
2 
1 
WT 
WB 
7 
Dos ciclos termodinámicos básicos de vapor, el ciclo de Carnot (ideal), y 
el ciclo de Rankine (real), que tiene diferentes variantes 
Es el ideal 
Limitado por dos isotermas y dos adiabáticas (s cte) 
 [T4] 
El foco frío es el medio ambiente, su 
temperatura es conocida, y Wmax es: 
El calor cedido al medio ambiente en ciclos 
reales es superior al 55%, y se expresa: 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (III) 
2.1.- Ciclo de Carnot (I) 
3 2 
p 
v 
1 
4 
TC 
TF 
S3 S1 
TC 
TF 
8 
Los elementos esenciales del ciclo son: 
•  la turbina de vapor, (1-2) el vapor se 
expande con s cte, obteniendo W 
•  un condensador, (2-3) condensa el vapor 
saliente de la turbina a T (y p) ctes 
•  una bomba, (3-4) en la que se eleva la 
presión isoentrópicamente 
•  una caldera, (4-1) a T (y p) ctes se 
vaporiza el agua 
El trabajo absorbido en la bomba, en primera aproximación, se desprecia, ya 
que el obtenido en la turbina es mucho mayor 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (IV) 
2.1.- Ciclo de Carnot (II) 
3 2 
p 
v 
1 
4 
TC 
TF 
S3 S1 
TC 
TF 
9 
El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos: 
La bomba trabaja mal si lo hace con vapor 
Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de 
la turbina, hay que limitar formación de agua líquida 
El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine 
Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras 
Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitando 
vapor en la bomba 
Ciclo de Rankine evitando 
vapor en la turbina (teórico) 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (V) 
2.2.- Ciclo Rankine (I) 
3 2 
T 
s 
1 4 
p2 
p1 
3 2 
T 
s 
1 a 
p2 
p1 
4 
3 2 
T 
s 
1 4 
p2 
p1 
10 
El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos: 
La bomba trabaja mal si lo hace con vapor 
Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de 
la turbina, hay que limitar formación de agua líquida 
El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine 
Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (V) 
2.2.- Ciclo Rankine (I) 
Turbina 
Condensador 
Bomba 
Caldera 
Qc 
QF 
a 
3 
4 
2´ 
1´ 
WT 
WB 
Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitando 
vapor en la bomba 
Ciclo de Rankine evitando 
vapor en la turbina (teórico) 
3 2 
T 
s 
1 4 
p2 
p1 
3 2 
T 
s 
1 a 
p2 
p1 
4 
3 2 
T 
s 
1 4 
p2 
p1 
3 
4 
1´ 
2´ 
T 
s 
a 1 
2 
p1 
p2 
11 
Para evitar líquido en la turbina, se aumenta la T 
de entrada, sobrecalentamiento 
El aumento de Tmax del ciclo (T1´> T1) ↓η 
Para que (T1’= T1) debería ↓p a medida que se evapora el agua 
 esto no tiene sentido práctico 
En primera aproximación se desprecia el trabajo absorbido por la bomba 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (VII) 
2.2.- Ciclo Rankine (II) 
3 
4 
1´ 
2´ 
T 
s 
a 1 
2 
p1 
p2 
Sin sentido práctico 
12 
T 05. - CICLOS DE POTENCIA 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 
30 20 
p20 
p2 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 10 
p10 
20 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 10 
20 
Para mejorar el rendimiento hay que: ↑W y/o ↓Q1: 
•  aumentar la presión en la caldera (?¿) 
•  aumentar la temperatura en la caldera 
•  disminuir la temperatura de salida de la turbina 
Se debe: 
•  respetar la Tmax de la caldera, limitada por los 
materiales, del orden de 600ºC 
•  evitar trabajar en la zona de vapor saturado 
•  considerar la Tmin que se dispone para condensar 
2.- Ciclos de vapor (VI) 
2.2.- Ciclo Rankine (III) 
↑T caldera 
↑p caldera 
↓T salida Turbina 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 
p2 
13 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 10 
20 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 
30 20 
p20 
p2 
3 
4 
1 
2 
T 
s 
a 
p1 10 
p10 
20 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (VI) 
2.2.- Ciclo Rankine (III) 
↑p caldera 
↑T caldera 
↓T salida Turbina 
↑X 
↓X 
↓X 
14 
Tras expansionar el vapor en una turbina de alta presión (T.A./T.H.P) se 
recalienta para volver a ser expansionarlo en una turbina de baja (T.B./T.L.P.) 
Es posible encontrar turbinas que incluyan las dos etapas 
↑ W, pero no η, ya que también ↑ QFC 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (VIII) 
2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento 
5 
6 
3 
4 
T 
s 
a 
p3 1 
p1 
2 
Pto 2 en zona 
de vapor seco 
T3 ≤ T1 
con calor residual de 
la caldera 
T.B. 
Condensador 
Bomba 
Caldera 
QC 
QFF 
5 
6 
4 
1 
WTA +TB 
WB 
T.A. 
3 
2 Recalentador 
QR 
QFC 
15 
Para ↓Q1 se puede precalentar el agua que 
entra en la caldera con un sangrado o 
extracción de vapor de la turbina 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (IX) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (I) 
La unión del sangrado con el condensado se realiza en un elemento 
calentador, que puede ser abierto (mezcla) o cerrado (intercambio térmico) 
La p del sangrado debe ser tal que su T de saturación sea la intermedia entre 
la de condensación y la de saturación en la caldera 
Si hay varios sangrados, las temperaturas deben ser “equidistantes” 
T.B. 
[1] 
1 
WTA +TB T.A. 
3 2 
[1-y] [y] 
[100%-y%] [100%] 
[y%] 
2 
16 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (X) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (II) 
3 
T 
s 
p3 
1 
p1 
2 
4 
5 
6 
7 
8 
p5 
p7 
p9 
TSatCaldera 
TSat Cond 
TSat Sang 1 
TSat Sang 3 
TSat Sang 2 
17 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XI) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (III) Ec. Masa 
(Prop agua) 
4 
5 
3 
T 
s 
p2 
1 
p1 
2 
6 
7 
[1] 
[1-y] 
[y] 
6 
5 
7 
2 
2 
3 
1 
6 
T.B. 
Condensador 
Bomba1 
Caldera 
QC 
QFF 
5 6 
4 
1 
WTA +TB 
WB2 
T.A. 
3 
2 
Calentador 
abierto 
[1] [1-y] 
[y] 
Bomba2 
WB1 
7 
Mezcla 
18 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XII) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (IV) 
Ec. Masa 
(Prop agua) 
Ec. Energía 
(Prop agua) 
Calentador 
abierto [1] 
6 7 
[1-y] 
[y] [msv] 
[malim] 
2 
[mC] 
5 
6 
3 
4 
T 
s 
p2 
1 
p1 
2 
7 
8 
[1] 
[1-y] 
[y] 
con Recal. y Regen. 
19 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XIII) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V) 
Ec. Masa 
(Prop agua) 
Ec. Energía 
(Prop agua) 
T.B. 
Condensador 
Caldera 
QC 
QFF 
5 
6 
4 
1 
WTA +TB 
T.A. 
3 
2 [1] [1-y] 
[y] 
Bomba 
W
B
 
7 
Int. calor 
Calentador 
cerrado 
4 
5 
3 
T 
s 
p2 
1 
p1 
2 
6 7 
[1] 
[1-y] 
[y] 
8 
8 Purgador [y] 
20 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XIV) 
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI) 
Ec. Masa 
(Prop agua) 
Ec. Energía 
(Prop agua) 
[1] 
5 6 
[1] 
[y] [msv] 
[malim] 
2 
Calentador 
cerrado 
[y] [msv] 7 
[malim] 
4 
5 
3 
T 
s 
p2 
1 
p1 
2 
6 7 
[1] 
[1-y] 
[y] 
21 
El ciclo con regeneración ↑η, pero puede presentar problemas de vapor en la 
turbina, se suele combinar con el ciclo con recalentamiento 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XV) 
2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento 
Posible con 
Regenerador cerrado 
5 
6 
3 
4 
T 
s 
p2 
1 
p1 
2 
7 
8 
[1] 
[1-y] 
[y] 7 
6 
8 
2 
2 
3 
1 
7 
T.B. 
Condensador 
B.1 
Caldera 
QC 
QFF 
6 7 
5 
1 
WTA +TB 
WB2 
T.A. 
4 
2 
Calentador 
abierto 
[1] [1-y] 
[y] 
B.2 
WB1 
8 
3 
2 Recalentador 
QR 
QFC 
T.B. 
[1-y] 
22 
En los ciclos vistos hasta ahora, la mayor parte 
de la transferencia de calor se realiza a T igual o 
inferior a la de vaporización (del orden de 250ºC) 
Pero la T de los gases en la caldera puede ser 
mucho mayor 
Para mejorar el rendimiento hay que intentar que Tvapor = Thumos caldera, para lo 
que se intenta que la transferencia térmica se haga a T  
Este ciclo trata de evitar la zona bifásica 
Implica ↑p de trabajo, y por lo tanto mayor coste de instalación 
Para evitar la formación de agua en la turbina es necesario que este ciclo se 
combine con etapas de regeneración y de recalentamiento. 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XVI) 
2.6.- Ciclo Rankine supercrítico 
3 
T 
s 
1 p 
2 
4 
23 
Los ciclos reales tienen pérdidas, debidas 
a enfriamientos, pérdidas de carga en 
conductos, en la bomba, etc 
El mayor porcentaje se produce en la etapa 
de expansión, que tiene un rendimiento 
entre el 80 y el 90% 
Existen otras pérdidas, como las de la caldera, del orden del 15% del calor suministrado por el combustible, y que deben ser tenidas en cuenta 
e
n el rendimiento de la planta térmica …, por ello el װ de los ciclos ronda el 35%

T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
2.- Ciclos de vapor (XVII) 
2.7.- Pérdidas en el Ciclo Rankine 
Este efecto ↓η, pero reduce la 
posibilidad de encontrar agua 
en la turbina 
4 
3 
T 
s 
a 
p2 
1 
p1 
2 2s 
4s 
24 
Comprimen, mediante el empleo de un trabajo exterior, un gas, (aire, o mezcla) 
Elevan su temperatura 
El trabajo aplicado al compresor es: 
Los compresores volumétricos: 
•  Para bajos caudales 
•  Las válvulas hacen que el ciclo real sea mayor 
Las etapas del ciclo de compresión son: 
•  1-2 compresión (s cte) 
•  2-3 expulsión (p cte)(abre val. de escape) 
•  3-4 expansión (s cte) 
•  4-1 admisión (p cte) (abre val. de adm.) 
η↑ al ↓ el espacio muerto (V3) 
(al modificar V3 también lo hace V4) 
técnicamente es necesario por las válvulas y las tolerancias mecánicas 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (I) 
3.1.- Compresores (I) 
Por unidad de masa 
4 1 
p 
v 
2 3 
Real 
Ideal / Teórico 
s3 s1 
Expulsión 
Admisión 
p2 
p1 
pint.S 
F patm.S 
pint.S 
25 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
Wcomp se puede ↓ si se extrae Q, (refrigerando) 
Suponiendo la compresión adiabática es: 
Si la capacidad térmica es cte, en una compresión con s = cte: 
De esta manera se puede expresar el trabajo como: 
3.- Ciclos de gas (II) 
3.1.- Compresores (II) 
Interesa T1 baja 
[T2] 
[T1] 
4 1 
p 
v 
2 3 
s3 s1 (Q=0) 
p2 
p1 
2´ 
T 
(Q<0) 
Ref. 
Pos. relativa 
s cte / T cte 
26 
Constructivamente es difícil refrigerar en el interior del compresor; en la 
práctica se instalan dos compresores, y una etapa intermedia de refrigeración 
wcomp es suma de dos etapas 
La refrigeración ideal es la que iguala la T de entrada a la segunda etapa a la 
de entrada a la primera; además será ideal si no se pierde presión 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (III) 
3.1.- Compresores (III) 
s 
T 
1 
2a 
2 
2b 
2c 
p2 
p1 
p2b 
4 1 
p 
v 
2 3 
s3 s1 (Q=0) 
p2 
p1 
Ref. 
2a 2b 
2c 
T1 ⇒ 
Comp.2 
1 
WCp1 +Cp2 
Comp.1. 
4 2 3 
Refrigerador 
QFF 
27 
Para optimizar la presión intermedia, pc: 
Es decir, la relación de presiones es la misma en cada etapa 
Si la compresión se realizara en más etapas esta regla se mantendría 
Los compresores centrífugos y axiales 
•  aptos para grandes caudales de gas 
•  proporcionan pequeñas relaciones de compresión 
•  si se desea alcanzar grandes presiones es necesario colocar varias etapas 
Se obtiene: 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (IV) 
3.1.- Compresores (IV) 
28 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
El Compresor tiene un rendimiento isoentrópico 
•  con s = cte: 
3.- Ciclos de gas (V) 
3.1.- Compresores (V) 
1 
2s 
2 
s 
T 
p2 
p1 
29 
Formado por dos adiabáticas y dos isócoras 
Se supone: 
•  un ciclo de trabajo 
•  todo es aire, el combustible es “despreciable” 
•  gas ideal, capacidades caloríficas constantes 
•  no existe proceso de admisión 
•  el escape es una transferencia de calor al exterior a volumen constante 
•  los PMS y PMI son los volúmenes mínimo y máximo, (V2 y V1) 
•  el volumen correspondiente al PMS es el espacio muerto 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (VI) 
3.2.- Ciclo de aire estándar 
pint.S 
F patm.S 
pint.S 
4 
1 
T 
s 
2 
3 v2 
v1 
PMS PMI 
4 
1 
p 
v 
2 
3 
s3 
s1 
PMS PMI 
30 
Formado por dos adiabáticas y dos isotermas 
•  4 a 1 expansión a T cte en la que se transfiere calor, QFC, de un foco caliente a TFC 
•  1 a 2 expansión a s cte 
•  2 a 3 compresión a T cte en la que se transfiere calor, QFF, a un foco frío a TFF 
•  3 a 4 compresión a s cte 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (VII) 
3.3.- Ciclo de Carnot 
v 
p 
Ta 
S (Q=0) 
Tb>Ta 
[T1] 
4 
1 
2 
3 
s 
T 
QFF 
QFC 4 
1 
2 
3 
v 
p 
QFF 
QFC 
s1 
s3 
T1 
T2 
31 
•  Se produce una expansión a s cte (3-4) 
•  Finalmente se comunica a v cte el calor al exterior (4-1) 
Formado por dos adiabáticas y dos isócoras 
•  Se comprime el aire a s cte (1-2) 
•  Se realiza la combustión brusca, necesita una 
chispa que la inicie; el calor generado eleva la 
presión interior (2-3) a v cte 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (VIII) 
3.4.- Ciclo Otto (I) 
Isoentríopicas ( ) 
 (1-2, y 3-4) 
Isocoras (v = cte), (2-3, y 4-1): 
p 
v PMS PMI 
4 
1 
2 
3 
s3 
s1 QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2a 3 v2 
v1 
PMS PMI 
QFF 
QFC 
v2a 
2 
3a 
32 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (IX) 
3.4.- Ciclo Otto (II) 
En el ciclo Otto, al ↑rcmp ↑η 
Si ↑T3 y V3, η↑, la isóbara y la 
isócora divergen; 
(QFC↑ pero W ↑↑) 
s 
T
v = cte 
p = cte 
[T4] 
p 
v PMS PMI 
4 
1 
2 
3 
s3 
s1 QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2a 3 v2 
v1 
PMS PMI 
QFF 
QFC 
v2a 
2 
3a 
33Si rcmp es grande (>14) autodetona el 
combustible sin necesidad de chispa 
•  Se comprime el aire a s cte (1-2) 
•  La p hace que detone, el calor provoca una expansión con p cte (2-3) 
•  Se produce una expansión a s cte (3-4) 
•  Se comunica el calor al exterior a v cte (4-1) 
Isóbara (p = cte): (2-3) 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (X) 
3.5.- Ciclo Diesel (I) 
Adiabáticas: 
Isocora (v = cte): (4-1) 
s 
T
v = cte 
p = cte 
[T4] 
p 
v PMS PMI 
4 
1 
2 3 
s3 
s1 QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
v1 
PMS PMI 
3a 3 
4a 
QFF 
34 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XI) 
3.5.- Ciclo Diesel (II) 
En el ciclo Diesel, al ↑rcmp ↑η (al igual que en el ciclo Otto) 
Para una rcmp ηOtto > ηDiesel 
En la práctica rcmp Diesel > rcmp Otto y ηOtto < ηDiesel 
Si ↑T3 y V3, η↓, la isóbara y la isócora convergen; W↑ pero QFC↑↑ 
(En el ciclo Otto este efecto es contrario) 
p 
v PMS PMI 
4 
1 
2 3 
s3 
s1 QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
v1 
PMS PMI 
3a 3 
4a 
QFF 
35 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XII) 
3.5.- Ciclo Diesel (III) 
En el ciclo Diesel: 
•  al ↑rcmp ↑η 
•  al ↑rcrt ↓η 
p 
v PMS PMI 
4 
1 
2 3 
s3 
s1 QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
v1 
PMS PMI 
3a 3 
4a 
QFF 
36 
Modela la combustión en dos etapas: 
•  una primera a v cte (Otto) 
•  otra segunda a p cte (Diesel) 
•  Se inicia comprimiendo a s cte (1-2) 
•  Se suministra calor a v cte (2-3) [Otto] 
•  Se sigue comunicando calor, pero a p cte (3-4) [Diesel] 
•  Se produce una expansión a s cte (4-5) 
•  Finalmente se comunica el calor al exterior a v cte (5-1) 
Si el motor es Otto el punto 3 es coincidente con el 4, y si el Diesel el 2 con el 3 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XIII) 
3.6.- Ciclo Dual (I) 
p 
v PMS PMI 
5 
1 
2 
4 
s4 
s1 QFF 
QFC2 
QFC1 
3 
s 
T
v cte 
p cte 
[T4] T 
1 
T 
s 
2 
p3 
v1 
PMS PMI 
4 
3 
5 
QFF 
v2 
37 
En el ciclo Otto rcrt = 1 
En el ciclo Diesel rp = 1 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XIV) 
3.6.- Ciclo Dual (II) 
p 
v PMS PMI 
5 
1 
2 
4 
s4 
s1 
3 
← 4 carreras / 4 tiempos → 
p 
v PMS PMI 
W > 0 
Ciclo real 
W < 0 
Escape 
Admisión 
38 
Ericsson: dos isotermas y dos isobaras 
Stirling: por dos isotermas y dos isócoras 
El suministro de Q se realiza a T cte (Q23= Q41) 
En el regenerador, el aire de escape precalienta el aire de entrada 
QFC a T cte, η = η Carnot 
El calor se puede obtener mediante combustión externa (malos combustibles) 
Problemas constructivos ηreal< ηteórico 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XV) 
3.7.- Ciclos Ericson y Stirling 
p 
v 
4 1 
2 3 
T3 T1 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
Q
FC
 
3 
Q
FF
 
4 
1 
T 
s 
2 
v2 
v1 
Q
FC
 
3 
Q
FF
 
p1 
p 
v 
4 
1 
2 
3 T3 
T1 
T.G. 
1 
WCp 
Comp. 
4 2 3 
Regenerador 
WTG 
QReg 
39 
La turbina de gas puede funcionar: 
•  Con un ciclo abierto, con una cámara de combustión 
•  Con uno cerrado, con dos intercambiadores de calor 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XVI) 
3.8.- Ciclo Brayton (I) 
puede alcanzar el 80% 
T.G. 
1 
Comp. 
4 2 3 
Q
FF
 
WTG 
Cámara de 
Combustión 
Aire 
Gases de 
escape 
1 4 
2 3 
Q
FF
 
WTG 
Inter. Calor 1 
Q
FC
 
I.C.2 
T.G. Comp. 
Combustión externa 
40 
El ciclo Brayton es: 
con dos adiabáticas y dos isobaras 
•  La compresión y expansión son isoentrópicas 
•  El calor se comunica y extrae con p cte 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XVII) 
3.8.- Ciclo Brayton (II) 
T.G. 
1 
Comp. 
4 2 3 
Q
FF
 
WTG 
Cám. Comb. 
Aire 
Gases de 
escape 
1 4 
2 3 
Q
FF
 
WTG 
Inter. Calor 1 
Q
FC
 
I.C.2 
T.G. Comp. 
p 
v 
4 1 
2 3 
s3 s1 
QFF 
QFC 
4 
1 
T 
s 
2 p2 
p1 
QFC 3 
QFF 
2a 
3a 
41 
Se supone cp cte 
Cálculos precisos deben tener en cuenta su variación 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XVIII) 
3.8.- Ciclo Brayton (III) 
T.G. 
1 
Comp. 
4 2 3 
Q
FF
 
WTG 
Cám. Comb. 
Aire 
Gases de 
escape 
1 4 
2 3 
Q
FF
 
WTG 
Inter. Calor 1 
Q
FC
 
I.C.2 
T.G. Comp. 
42 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XIX) 
3.8.- Ciclo Brayton (IV) 
T.G. 
1 
Comp. 
4 2 3 
Q
FF
 
WTG 
Cám. Comb. 
Aire 
Gases de 
escape 
1 4 
2 3 
Q
FF
 
WTG 
Inter. Calor 1 
Q
FC
 
I.C.2 
T.G. Comp. 
43 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XX) 
3.8.- Ciclo Brayton (III) 
s no cte ⇒ ↓η aprox.15% 
T.G. 
1 
Comp. 
4 2 3 
Q
FF
 
WTG 
Cám. Comb. 
Aire 
Gases de 
escape 
1 4 
2 3 
Q
FF
 
WTG 
Inter. Calor 1 
Q
FC
 
I.C.2 
T.G. Comp. 
4 
1 
T 
s 
p2 
p1 
QFC 
QFF 
2 
3 
4 
1 
T 
s 
p2 
p1 
QFC 
QFF 
2s 
3 
2 
4s 
Sólo se considera 
s K cte 
44 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
El calor cedido al exterior se aprovecha con 
un regenerador (interc. de calor) 
El ideal iguala Tas entrada y salida 
Real: 
Ideal: 
3.- Ciclos de gas (XXI) 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int. Calor 
1 
4 
2 Cámara 
Comb. 
3 
QFF 
WTG 
Q
FC
 
T.G. 
Comp. 
X 
Y 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
QFC 
3 
QFF 
p 
v 
4 1 
2 3 
s3 s1 
QFF 
QFC 
X 
Y 
X Y QReg 
QReg 
Ideal: TY=T2 
Ideal: TX=T4 
45 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
El calor cedido al exterior se aprovecha con 
un regenerador (interc. de calor) 
El ideal iguala Tas entrada y salida 
3.- Ciclos de gas (XXI) 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int. Calor 
1 
4 
2 Cámara 
Comb. 
3 
QFF 
WTG 
Q
FC
 
T.G. 
Comp. 
X 
Y 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
QFC 
3 
QFF 
X 
Y QReg 
Ideal: TY=T2 
Ideal: TX=T4 Real: 
Ideal: 
p 
v 
4 
1 
2 3 
s3 s1 
QFF 
QFC 
X 
Y 
QReg 
v 
p S cte 
T cte 
T4 
T2 
Ideal: TY=T2 
Ideal: TX=T4 
46 
Adiabáticas: 
(1-2) 
(3-4) 
Isobaras: (2-3) y (4-1): 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XXII) 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (II) 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
QFC 
3 
QFF 
p 
v 
4 1 
2 3 
s3 s1 
QFF 
QFC 
X 
Y 
X Y QReg 
QReg 
47 
ηBReg↓ al ↑rp 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XXIII) 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (III) 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
QFC 
3 
QFF 
p 
v 
4 1 
2 3 
s3 s1 
QFF 
QFC 
X 
Y 
X Y QReg 
QReg 
48 
Para rp bajas ηBReg> ηB 
Para rp altas ηBReg < ηB 
ηB↑ al ↑rp 
ηBReg↓ al ↑rp 
En el regenerador no se pueden igualar las Tas 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XXIV) 
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (IV) 
49 
T max limitada por los álabes de la turbina 
El recalentamiento ↑ el área del ciclo sin ↑ T max 
Se necesitan dos turbinas y una segunda cámara de combustión (recalentador) 
La presión intermedia debe hacer que las 
relaciones de presiones sean iguales 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XXV) 
3.10.- Ciclo Brayton con recalentamiento 
4 
1 
T 
s 
2 
p2 
p1 
Q
FC
1 
3 
Q
FF
 
X 
Y 
pX=pY 
Q
FC
2 1 4 
2 
Cám. 
Comb. 
3 
Q
FF
 
WTG 
Q
FC
1 
T.G.1 
Comp. 
X Y 
T.G.2 
Q
FC
2 
Cám. 
Rec. 
50 
Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dos 
etapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador 
La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclos de gas (XXVI) 
3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración 
8 
1 
T 
s 
3 
p2 
p1 
Q
FC
1 5 
Q
FF
1 
6 
7 
p2=p3 =p6=p7 
Q
FC
2 
4 
Q
FF
2 
X 
Y 2 
QReg 
1 
8 
4 
Cp.2 
5 
Q
FF
 WTG 
Q
FC
1 
6 7 
T.G.2 
Q
FC
2 
Cám. 
Rec. 
Cám. 
Comb. 
Refrig. 
Cp.1 T.G.1 
Int. 
Calor 
2 3 
X 
Y 
QFF 
8 
1 
51 
Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dos 
etapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador 
La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
3.- Ciclosde gas (XXVI) 
3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración 
8 
1 
T 
s 
3 
p2 
p1 
Q
FC
1 5 
Q
FF
1 
6 
7 
p2=p3 =p6=p7 
Q
FC
2 
4 
Q
FF
2 
X 
Y 2 
QReg 
1 
8 
4 
Cp.2 
5 
Q
FF
 WTG 
Q
FC
1 
6 7 
T.G.2 
Q
FC
2 
Cám. 
Rec. 
Cám. 
Comb. 
Refrig. 
Cp.1 T.G.1 
Int. 
Calor 
2 3 
X 
Y 
QFF 
8 
1 
T 
s 
p2 
p1 
Q
FC
1 
Q
FF
1 
p2=p3 =p6=p7 
Q
FC
2 
Q
FF
2 
QReg 
4s 
6s 
X 
Y 
3 
5 
7 
1 
2 
6 8 
4 
8s 
2s 
52 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (I) 
MÁQUINAS 
DE FLUIDO 
MÁQUINAS 
HIDRÁULICAS 
MÁQUINAS 
TÉRMICAS 
TURBOMÁQUINAS 
(flujo continuo) 
MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS 
(de desplazamiento positivo) 
TURBOMÁQUINAS 
(flujo continuo) 
MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS 
(de desplazamiento positivo) 
GENERADORAS 
MOTORAS 
GENERADORAS 
MOTORAS 
GENERADORAS 
(turbocompresores) 
MOTORAS 
(turbina de gas, turbina de 
vapor) 
GENERADORAS 
(compresores volumétricos) 
MOTORAS 
(motores de combustión 
interna alternativos Otto, 
Diésel, motor Stirling) 
53 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (I) 
4.1.- Turbinas de vapor (I) 
Transforma la entalpía del vapor de agua en energía mecánica en su eje 
Su rendimiento es el más bajo de todas las máquinas térmicas cíclicas 
Según el número de etapas se pueden clasificar en: 
•  Turbinas simples o monoetapas 
 poseen un único escalonamiento 
•  Turbinas compuestas o multietapa 
 con varios escalonamientos 
http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf 
54 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (II) 
4.1.- Turbinas de vapor (II) 
En función de la presión del vapor a la salida: 
•  Turbinas de contrapresión; el vapor se 
extrae a p > patm, el vapor tras su paso por 
la turbina tiene un aprovechamiento 
•  Turbinas de condensación; el vapor sale a 
 p < patm, llegando a salir vapor húmedo 
Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf 
55 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (III) 
4.1.- Turbinas de vapor (III) 
En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el 
flujo de vapor: 
•  Turbinas de vapor de reacción 
•  Turbinas de vapor de acción 
Presión 
Velocidad 
Escalonamiento de velocidad (CURTIS) 
(T: Tobera; R: Rodete; E: Enderezador) 
T R E R E
56 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (III) 
4.1.- Turbinas de vapor (III) 
En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el 
flujo de vapor: 
•  Turbinas de vapor de reacción 
•  Turbinas de vapor de acción 
Presión 
Velocidad 
Escalonamiento de presión (RATEAU) 
(T: Tobera; R: Rodete) 
T R T R T R T
57 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (IV) 
4.1.- Turbinas de vapor (IV) 
En función de la dirección del flujo de vapor: 
• axiales 
• radiales Principales elementos turbina de vapor: 
•  Rotor 
•  Carcasa 
•  Alabes 
•  Válvula regulación 
•  Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales 
•  Cojinete de empuje o axial 
•  Sistema de lubricación 
•  Sistema de refrigeración de aceite 
•  Sistema de control de aceite 
•  Sistema de sellado de vapor 
•  Virador 
•  Compensador http://dim.usal.es/eps/mmt/?paged=3 
58 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (III) 
4.2.- Motores de combustión (I) 
La combustión del combustible se 
realiza en el interior de un cilindro, 
cuyo cierre lo forma un émbolo 
que lo recorre (pistón) 
•  Gasolina 
•  Diesel (autodetona por compresión) 
•  Gas 
↓al ↑D.C 
http://2.bp.blogspot.com/-mo62tAG8r7Q/TaMqHycaSrI/AAAAAAAAAGw/dUMhtwaiZAQ/s1600/motor.png 
Arbol de levas Válvulas Arbol de levas 
Biela 
Cigüeñal Eje (acoplamientos por 
poleas y correas) Cárter (aceite) 
Engranajes de 
la transmisión 
59 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (IV) 
4.2.- Motores de combustión (I) 
2T 4T 
OTTO 
Pot Bajas 
(ligeros) 
Pot Medias 
DIESEL 
Pot Altas 
(tamaño) 
Pot Medias 
•  De 4 tiempos; (mayor peso y mayor rendimiento) 
•  De 2 tiempos; admisión-compresión y expansión-escape 
 con = cilindrada y rpm, desarrolla más potencia (trabajo en cada carrera) 
⇒ cortocircuito admisión escape 
⇒ OTTO desperdicio de combustible 
60 
Eje de balancines Manómetro 
Bomba de aceite 
Filtro 
Regulador 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (V) 
4.2.- Motores de combustión (III) 
Los motores pueden tener aspiración natural 
o ser sobrealimentados 
Necesitan refrigeración, lubricación y salida 
de gases (se puede extraer el calor) 
Los gases están a T ≈ 400ºC, en una caldera se 
puede producir vapor o agua caliente 
 de 0,45 kWth por cada kWeje 
De la refrigeración de las camisas se puede 
obtener agua caliente a T ≈ 80 a 90ºC 
 de 0,5 a 0,8 kWth por cada kWeje 
http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/imagenes/engrase/figura02.jpg 
61 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (VI) 
4.3.- Turbinas de gas (I) 
Se componen principalmente de tres elementos: 
•  Compresor, que comprime el aire comburente 
•  Cámara(s) de combustión, dispuesta(s) radialmente 
•  Turbina accionada por los gases 
La turbina es serie de álabes con un cierto ángulo de inclinación ángulo, 
solidarios con una parte móvil, sobre los que incide el gas y hace girar 
Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Gas/PDFs/01Tgas.pdf 
62 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (VII) 
4.3.- Turbinas de gas (II) 
Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio 
Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudiciales 
El combustible debe estar perfectamente filtrado 
En los gases de escape está contenido el calor que cede la máquina térmica 
Las turbinas de gas pueden tener varias etapas 
63 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (VII) 
4.3.- Turbinas de gas (II) 
Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio 
Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudiciales 
El combustible debe estar perfectamente filtrado 
En los gases de escape está contenido el calor que cede la máquina térmica 
Las turbinas de gas pueden tener varias etapas ↑T empeora su 
funcionamiento P
ot
en
ci
a 
El
éc
tr
ic
a 
(k
W
) 
Tª ambiente (ºC) 40 0 30 10 
1.500 
2.000 
2.500 
Tª ambiente (ºC) 
Tª
 G
as
es
 E
sc
ap
e 
(º
C
) 
40 0 30 10 
500 
550 
600 
Tª ambiente (ºC) 40 0 30 10 C
au
da
l G
as
es
 E
sc
ap
e 
(t/
h)
 
25 
30 
35 
64 
4.4.- Motor Stirling (I) 
T 05.- CICLOS DE POTENCIA 
4.- Máquinas Térmicas (VIII) 
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Stirling