Ciclos Del Vapor

INTRODUCCION

En este punto presentaremos los diversos ciclos de vapor que se utilizan habitualmente. El enfoque a usar privilegiará el comprender el ciclo utilizando diagrama de bloques, diagramas presión-volumen y diagramas T-S.

• El diagrama de bloques muestra el proceso a seguir utilizando bloques que representan los elementos físicos del proceso.

• El diagrama presión-volumen nos muestra los principales cambios (presión-volumen) que ocurren a lo largo de todo el proceso.

• Los diagramas T-S relacionan las variaciones temperatura, entropía. Estos últimos son muy útiles para comprender los intercambios de calor, procesos con irreversibilidades y también comparar con los diagramas de Carnot correspondientes.

Los diversos ciclos que estudiaremos de modo genérico serán:

• Ciclo abierto: el típico ciclo sin condensación, propio de la máquina de vapor.

• Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye sobrecalentamiento de vapor.

• Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce la sobre calefacción de vapor. Veremos por qué es conveniente de usar y en qué casos.

CICLOS DE VAPOR

El Vapor como Fluido Termodinámico:

El uso de vapor como fluido termodinámico se justifica por gran variedad de propiedades, en particular:

• Es abundante y barato de producir.

• Transporta gran cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de fase. En efecto, el calor latente de cambio de fase es del orden de 2.500 [kJ/kg].

Ciclos de Vapor:

Los ciclos de vapor los podemos dividir entre ciclos de vapor abiertos y ciclos de vapor cerrados. En los próximos párrafos daremos un breve vistazo a cada uno de ellos.

 Ciclo Abierto

Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial).

El ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene agua para la caldera (1). La bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión de la caldera). En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle, formando vapor.

El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1. Luego el vapor (a presión) es conducido al motor donde se expande, produciendo el trabajo W.

El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100ºC.

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) el agua del depósito es líquido subsaturado. La bomba aumenta su presión hasta es estado (2). Como lo que se comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente inferior al de (1).

Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza primero el estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana de cambio de fase) y luego comienza la ebullición dentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la caldera en el estado (3), como vapor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente inferior a x=1). Luego se expande en la máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la atmósfera.

Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC)

En diagrama T-S el ciclo abierto se describe como sigue: El agua está inicialmente a Tamb y en estado líquido (1), luego la bomba lo comprime hasta el estado (2). En teoría esta compresión es isentrópica, en realidad la entropía aumenta un poco. En todo caso, los estados (1) y (2) están muy cercas (la temperatura apenas sube). Al inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se expande en el motor, generando el trabajo W. Esta expansión en teoría es identrópica. El vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 100ºC. Luego este vapor condensa en la atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.

Para efectos de comparación, el diagrama anterior lo inscribimos en su Ciclo de Carnot Correspondiente (las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscriben). Este ciclo tiene como temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura ambiente y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las áreas en verde indican la pérdida que hay con respecto al potencial, la cual es muy elevada.

Es por esto que los ciclos abiertos fueron rápidamente reemplazados con ciclos con condensador (o ciclo de Rankine), pues el rendimiento es muy superior. Se limitaron a máquinas móviles (locomotoras o locomóviles), donde no es práctico instalar un condensador. Incluso en los barcos a vapor se tenía condensador, pues el agua de mar era excelente medio para enfriarlo.

Ciclo de Rankine:

El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble:

• Desde el punto de vista netamente termodinámico, bajamos la temperatura de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.

• Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

La principal diferencia entre un ciclo de vapor abierto y uno de Rankine es el condensador. Esta mejora la introdujo James Watt hacia fines del Siglo XVIII.

En el próximo párrafo explicaremos brevemente el funcionamiento de este elemento tan esencial en los ciclos de vapor.

El condensador:

En

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