Ciclos de potencia

CAPITULO 5: CICLOS DE POTENCIA

INTRODUCCION

En termodinámica hay dos importantes areas de aplicación, la generación de potencia y la refrigeración. Ambas se realizan mediante sistemas que operan en un ciclo termodinámico.

Un ciclo se define como una serie de procesos termodinámicos durante los cuales el fluido de operación puede someterse a cambios que comprendan transiciones de energia, y, a continuación retornar a su estado original. El objetivo de cualquier ciclo practico es convertir energia de una forma a otra mas util.

Los ciclos termodinámicos se dividen en 2 categorias generales: ciclos de potencia y ciclos de refrigeración.

Los dispositivos o sistemas empleados en producir una salida de potencia neta reciben el nombre de maquinas, y los ciclos termodinámicos que operan se denominan ciclos de potencia. Los dispositivos o sistemas utilizados para producir refrigeración se llaman refrigeradores, acondicionadores de aire o bombas de calor, y los ciclos que operan reciben el nombre de ciclos de refrigeración.

Los ciclos termodinámicos tambien se categorizan como ciclos de gas o ciclos de vapor, dependiendo de la fase del fluido de trabajo. En los ciclos de gas el fluido de trabajo permanece en fase gaseosa durante todo el ciclo, en tanto, que en los de vapor el fluido de trabajo existe en la fase de vapor durante una parte del ciclo y en la fase liquida durante otra parte.

Por otra parte, las maquinas termicas se clasifican como maquinas de combustión interna o de combustión externa, dependiendo de cómo se suministre el calor al fluido de trabajo. En las maquinas de combustión externa (como las plantas de energia de vapor), la energia se suministra al fluido de trabajo desde una fuente externa como una caldera, un pozo geotérmico, un reactor nuclear o incluso el sol. En las maquinas de combustión interna (como los motores de automóvil), la energia se genera al quemar el combustible dentro de la frontera del sistema.

CONSIDERACIONES BASICAS EN EL ANÁLISIS DE CICLOS DE POTENCIA

La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y los ciclos que se efectuan en los dispositivos reales son difíciles de analizar debido a la existencia de algunos efectos relativamente complicados, como la friccion, y la ausencia de tiempo suficiente para establecer las condiciones de equilibrio durante el ciclo.

Con la finalidad de hacer factible el estudio analítico de un ciclo, es necesario efectuar algunas idealizaciones, lo que significa que al ciclo real se le deben eliminar todas las irreversibilidades y complejidades internas.

Al realizar tales idealizaciones, se finaliza con un ciclo que se asemeja en gran medida al ciclo real pero conformado en todas sus etapas por procesos internamente reversibles. Un ciclo de tales características recibe el nombre de ciclo ideal.

En nuestro estudio, los ciclos se trataran en forma idealizada, sin embargo, ellos mantendran las características generales de los ciclos reales que representan.

Las maquinas termicas se diseñan con el propósito de convertir otras formas de energia (generalmente en forma de calor) en trabajo, y su desempeño se expresa en terminos de la eficiencia termica , que es la relacion entre el trabajo neto producido por la maquina y la entrada de calor total:

Es necesario recordar que las maquinas termicas operadas en un ciclo totalmente reversible, como el Ciclo de Carnot, tienen la eficiencia termica mas alta de todas las maquinas termicas que operan entre los mismos niveles de temperatura. Es decir, nadie puede desarrollar un ciclo mas eficiente que el Ciclo de Carnot.

En consecuencia, la siguiente pregunta surge de manera natural: si el Ciclo de Carnot es el mejor ciclo posible, ¿por qué no emplearlo como el ciclo modelo en todas las maquinas termicas, en vez de ocuparse de los ciclos denominados ideales?.

La respuesta se relaciona con los equipos.

La mayor parte de los ciclos encontrados en la practica difieren significativamente del Ciclo de Carnot, por lo que es inadecuado utilizarlo como un modelo real.

Cada ciclo que estudiemos y analizemos se relacionara con un dispositivo que produce trabajo especifico y sera una versión idealizada del Ciclo real.

La eficiencia termica de un ciclo ideal, es por lo general, menor que la de un ciclo totalmente reversible (como el de carnot) que opere entre los mismos limites de temperatura. Sin embargo, ella es considerablemente mayor que la eficiencia termica de un ciclo real debido a las idealizaciones empleadas.

Los supuestos e idealizaciones empleados en el análisis de los ciclos de potencia, son los siguientes:

• El ciclo no implica ninguna friccion. Esto significa que el fluido de trabajo no experimenta ninguna reducción de presion cuando fluye en las tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor.

• Todos los procesos de expansion y compresión se dan en el modo de cuasi equilibrio.

• Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema estan muy bien aisladas y la transferencia de calor por ella es despreciable.

• Las variaciones de energia cinética y potencial del fluido de trabajo en los distintos dispositivos del ciclo se consideraran despreciables. Este supuesto es particularmente valido en el caso de turbinas, compresores, bombas, condensadores, calderas y camaras de mezcla. Los unicos dispositivos en que los cambios de energia cinética son significativos son las toberas y los difusores, que se diseñan para crear grandes cambios en la velocidad.

EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT

El ciclo de Carnot, como se ha mencionado, es el mas eficiente de los ciclos que operan entre 2 niveles de temperatura especificos.

De acuerdo a ello, es obvio considerar en primer lugar al ciclo de carnot como un prospecto de ciclo ideal para las plantas de energia de vapor. Es mas, si fuera posible se adoptaria como el ciclo ideal.

Sin embargo, como se explica a continuación, el ciclo de carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia.

En este análisis se considerara al vapor de agua como el fluido de trabajo, puesto que su uso predomina en los ciclos de potencia de vapor.

Recordemos que el Ciclo de Carnot esta conformado por 4 etapas, las que se muestran en la Figura 5.1, y que son:

• Expansion

...