Ciclos Termodinamicos De Carnot Y Rankine

Capitulo 10

10.1 ciclo de vapor de carnot

Como se a mencionado repetidamente el ciclo de carnot es el más eficiente de los ciclos que operan dentro de los limites especificados

Con este ciclo se asocian varias situaciones imprácticas

• La transferencia isotérmica de calor hacia o desde un sistema de dos fases no es difícil de alcanzar en la practica. sin embargo restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de 2 fases limita severamente la temperatura máxima también se limita la eficiencia térmica.

• El proceso de expansión isentropica puede aproximarse bastante mediante una turbina bien diseñada. Sin embargo la calidad del vapor disminuye durante este proceso

• El proceso de comprensión isentropica implica la comprensión de una mezcla de líquido y vapor hasta un liquido saturado. Hay dos dificultades asociadas con este proceso: primero no es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan precisa y segundo no es practico diseñar un compresor que maneje dos fases

Algunos de estos problemas pueden eliminarse al ejecutar el ciclo de carnot de manera diferente. Sin embargo este ciclo presenta otros problemas como la compresión isentropica a presiones extremadamente altas y transferencia de calor isotérmica a presiones variables

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.

Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el Criterio de signos termodinámico.

10.2 ciclo de rankine

Esposible de eliminar muchosde los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador. El ciclo rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y esta compuesto de los siguientes cuatro procesos

1. Compresión isentropica

2. Adición de calor a presión constante

3. Expansión isentropica

4. Rechazo de calor a presión constante

El ciclo de 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). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

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

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