Mantenimiento y Gestión de la Producción

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JAVIER MIÑO CANO

Trabajo Obligatorio termodinámica

Curso 2019-2020

B.Sc. (Hons.) Mantenimiento y Gestión de la Producción

Validated by University of Wales

CENTRO SAN VALERO

SEAS, Centro de Formación Abierta

 ZARAGOZA

FASE 1

CICLO DE RANKINE

El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Se trata de calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. El vapor se llevará a una turbina donde se producirá energía cinética perdiendo presión. El vapor irá hacia un condensador donde lo que queda pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera.

El ciclo de Rankine es un ciclo muy empleado en máquinas simples y cuando la temperatura de fuente caliente es limitada. En este ciclo se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, que a través de un cilindro de doble efecto desplazaban una corredera que dirigía el vapor de un lado a otro del pistón.

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Vamos a analizar el ciclo a través de una figura  y de una tabla para las etapas:

• ETAPA 1-2: Se aumenta la presión del líquido sin perder calor através de un compresor, que aporta un trabajo mecánico externo.
• ETAPA 2-3: Se le aporta calor al líquido a una presión constante con una caldera, se evapora el líquido y se sube la temperatura del vapor al máximo.
• ETAPA 3-4: Es una expansión adiabática, es decir, no intercambia calor con su entorno, con lo que el vapor realiza un trabajo en la turbina.
• ETAPA 4-5: En esta etapa se aprovecha el calor de los gases que salen de la caldera para reducir el calor que hay que introducir en el ciclo.
• ETAPA 5-6: Se recalienta el vapor que ha pasado por la turbina pasándolo por la caldera y después por otra turbina de baja presión.
• Desde la etapa 4 hasta la 1 se trata de refrigerar el vapor a presión constante para volver a transformarlo en líquido y comenzar un nuevo ciclo.

El ciclo Rankine se utiliza en las centrales térmicas, que producen la mayor parte de la energía eléctrica del mundo.

Merece destacar el ORC, Ciclo de Rankine Orgánico, que convierte en energía eléctrica el calor de los residuos  que se producen en muchos procesos industriales. La diferencia es que el fluido que impulsa la turbina es un fluido orgánico de alta masa molecular. Como ventajas tiene la alta eficiencia del ciclo y la turbina, baja tensión mecánica, bajas r.p.m. de la turbina, con lo que permite la transmisión directa al generador eléctrico sin ninguna reductora. Además no erosión en los alabes de la turbina con lo que tiene una larga vida.

REFRIGERANTES USADOS EN MÁQUINAS TÉRMICAS

Un refrigerante es cualquier sustancia que absorba calor de otra sustancia y lo enfríe. Cualquier sustancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede ser actuar como refrigerante, y dependiendo de sus características tendrá una aplicación u otra:

• Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la temperatura ambiente, a presión atmosférica.
• Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser controlable con facilidad de modo que su capacidad de absorber calor sea controlable también.
• Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de vaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en circulación.
• Ni inflamable, ni explosivo, ni tóxico, debe ser químicamente estable: Para poder tolerar años de repetidos cambios de estado.
• No debe ser corrosivo.
• Moderadas presiones de trabajo.
• Fácil detección y localización de pérdidas, para que no disminuya el refrigerante y no haya contaminación del sistema.
• No debe influir en los aceites lubricantes.
• Bajo punto de congelación, que sea muy por debajo a la que pueda trabajar el evaporador.
• Alta temperatura crítica.
• Moderado volumen específico de vapor, para reducir el tamaño del compresor.
• Bajo coste.

El refrigerante ideal, sería aquél que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorba del evaporador, la línea de succión y el compresor. Para comprender un refrigerante es básico entender como es la relación entre presión y temperatura. Las propiedades más importantes que influyen en la capacidad del refrigerante son el calor latente de evaporación, su relación de compresión y el calor específico tanto en estado líquido como en vapor.

Los refrigerantes se pueden clasificar de varias formas, inorgánicos (Agua, amoniaco), orgánicos (Hidrocarburos y derivados), según su grado de  seguridad, según su presión de trabajo, sus funciones….

A continuación exponemos algunos refrigerantes utilizados en máquinas térmicas:

AGUA

• Es un fluido ecológico, no hay riesgo de daño medioambiental ante una fuga, ni costes añadidos por pago de impuestos ni reposición de gases refrigerantes.
• Es un fluido seguro, elimina el riesgo ante un derrame o fuga que sí sucede en otro tipo de fluidos, como el amoniaco.
• Permite una gran flexibilidad en cuanto a diseño y futuras ampliaciones o modificaciones, reduciendo costes.
• En climatización de grandes espacios aumenta el confort, ya que permiten flujos de aire con temperaturas más suaves.

AMONIACO

Aunque el amoníaco es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones, sus excelentes propiedades térmicas lo hacen ser un refrigerante ideal para fábricas de hielo, para grandes almacenes de enfriamiento…

El amoníaco es el refrigerante que tiene más alto efecto refrigerante por unidad de peso, pueden usarse materiales de peso ligero en la construcción del equipo refrigerante. La temperatura adiabática en la descarga es relativamente alta, siendo de 98,89°C para las condiciones de tonelada estándar, por lo cual es adecuado tener enfriamiento en el agua tanto en el cabezal como en el cilindro del compresor. En la presencia de la humedad el amoníaco se vuelve corrosivo para los materiales no ferrosos.

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