ASIGNATURA:

TERMODINMICA

SESIN 10:

TEMA: Ciclos de Potencia.

DOCENTE: MERY CECILIA GOMEZ MARROQUIN, D Sc.

E-mail: merycgm@hotmail.com

CAPACIDAD DE LA

PRESENTE SESIN

Evala los diferentes tipos de mquinas

trmicas a partir de una maquina

trmica ideal de referencia que opera

segn el Ciclo de Carnot.

PRODUCTOS ACADMICOS

Exploracin de conocimientos previos

va la tcnica de lluvia de ideas,

mapeos mentales, que sern

plasmados en mapas conceptuales y

cuadros sinpticos.

Examen oral individual

Resolucin de ejemplos y problemas de

aplicacin en clase y casa.

SABERES PREVIOS

E-mail: merycgm@hotmail.com

CICLOS

TERMODINAMICOS

Un ciclo termodinmico es una sucesin

tpica de procesos termodinmicos que

evolucionan dentro de un intervalo de

temperaturas.

Se denomina ciclo termodinmico a

cualquier serie de procesos

termodinmicos tales que, al transcurso de

todos ellos, el sistema regrese a su estado

inicial; es decir, queda nula la variacin de

las magnitudes termodinmicas propias del

sistema.

CICLOS

TERMODINAMICOS

Los ciclos termodinmicos pueden ser: de

potencia y de refrigeracin.

DE POTENCIA

Ideal de Carnot

Rankine

Brayton

Stirling

DE REFRIGERACION

De Carnot inverso

Refrigeracin por compresin

Por absorcin

CICLO DE BRAYTON

El ciclo Brayton, tambin conocido como

ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo

termodinmico consistente, en su forma ms

sencilla, en una etapa de compresin

adiabtica, una etapa de calentamiento

isobrico y una expansin adiabtica de un

fluido termodinmico compresible. Es uno de

los ciclos termodinmicos de ms amplia

aplicacin, al ser la base del motor de turbina

de gas, por lo que el producto del ciclo

CICLO DE BRAYTON

puede ir desde un trabajo mecnico que se

emplee para la produccin de energa

elctrica o algn otro aprovechamiento caso de las industrias de generacin elctrica y de

algunos motores terrestres o marinos,

respectivamente, hasta la generacin de un empuje en un aerorreactor. Un diagrama del

Ciclo Brayton terico (en negro) y real (en

azul), en funcin de la entropa S y la

temperatura T, es mostrado a continuacin:

CICLO DE BRAYTON

CICLO DE BRAYTON.

Abierto y Cerrado.

CICLO DE BRAYTON

El ciclo en referencia, se puede considerar

parecido al Diesel con una sobre expansin

hasta llegar a la presin inicial, de manera

que la extraccin de calor para volver al punto

inicial se efectuar a presin constante.

Las fases del ciclo de Brayton son:

1-2: Compresin adiabtica

2-3: Aporte de calor a presin constante

3-4: Expansin adiabtica

4-1: Extraccin de calor a presin constante

CICLO DE BRAYTON

Sobre el ciclo bsico existen variantes que lo

complican para mejorar alguna de sus

prestaciones, como la potencia o el

rendimiento. Ejemplos de estas variantes son

el ciclo Brayton con regenerador, el ciclo

Brayton de mltiples etapas (de compresin

u expansin), o la combinacin de un ciclo

Brayton con un ciclo Rankine para dar lugar

al denominado ciclo combinado.

CICLO DE ERICSSON

El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor

John Ericsson, que proyect y construy

varios motores de aire caliente basados en

diferentes ciclos termodinmicos. Es

considerado el autor de dos ciclos para

motores trmicos de combustin externa y

constructor de motores reales basados en los

ciclos mencionados.

CICLO DE ERICSSON

Su primer ciclo era muy parecido al

actualmente llamado ciclo Brayton (que es

el que siguen las turbinas de gas), pero con

combustin externa.

Este ciclo se intent aplicar a un motor

diseado por Ericsson a mediados del siglo

XIX y tambin presenta las mismas fases

que el ciclo de un turbocompresor.

CICLO DE ERICSSON

CICLO DE ERICSSON

Consta de 4 fases:

1-2: Compresin isotrmica, con extraccin

de calor

2-3: Calor aadido a presin constante

(calentamiento isobrico, con aporte de calor

de regeneracin)

3-4: Expansin isotrmica, con aporte de

calor

4-1: Enfriamiento a presin constante

(enfriamiento isobrico, con extraccin de

calor de regeneracin)

CICLO DE ERICSSON

Comparacin del ciclo Ericsson con el

ciclo de Brayton

El primer ciclo ideado por Ericsson es

llamado actualmente ciclo Brayton, y usado

en los motores de turbina de gas de los

aviones. El segundo ciclo inventado por

Ericsson es el propiamente denominado

"Ciclo Ericsson". Puede imaginarse como un

ciclo Brayton ideal, con una turbina de gas

llevada al lmite:.

CICLO DE ERICSSON

Comparacin del ciclo Ericsson con el

ciclo de Brayton

con una fase de compresin de muchas etapas con enfriamiento (equivalentes a una

compresin refrigerada), una expansin con

muchas etapas, incluyendo recalentamiento

del aire de entrada con un intercambiador-

recuperador.

CICLO DE ERICSSON

Comparacin del ciclo Ericsson con el

ciclo de Brayton

Comparado con un ciclo Brayton normal (con

compresin adiabtica y expansin

adiabtica), el ciclo Ericsson (con compresin

y expansin isotrmica) proporciona ms

trabajo limpio por revolucin. El uso de un

intercambiador-regenerador aumenta el

rendimiento al reducir las necesidades de

aportacin de calor.

CICLO DE ERICSSON

CICLO DE STIRLING

El ciclo Stirling es un ciclo termodinmico

del motor Stirling que busca obtener el

mximo rendimiento. Por ello, es semejante

al ciclo de Sadi Carnot.

A diferencia de la mquina de Carnot, (la

cual logra la mayor eficiencia terica) esta

mquina est constituida por dos isotermas,

dos iscoras y un sistema de regeneracin

entre las isocoras.

CICLO DE STIRLING

Existe tambin una mquina similar segn

el ciclo Ericsson, la cual consta de dos

isotermas y dos isobaras. Tambin consta

de un sistema de regeneracin entre las

isobaras como en el ciclo Stirling.

Es el ciclo correspondiente a un motor de

combustin externa en el que se producen,

tal como se ve en la siguiente figura.

CICLO DE STIRLING

CICLO DE STIRLING

El Ciclo Stirling Ideal consiste de cuatro

procesos termodinmicos que actan sobre el

fluido de trabajo:

1-2: Compresin Isotrmica del gas a la

temperatura inferior. Durante este proceso

se cede al exterior una cantidad de calor a

la fuente fra..

2-3: Absorcin de calor a volumen

constante (isocrico o iscoro).

CICLO DE STIRLING

El gas absorbe del regenerador una cantidad

de calor y aumenta su temperatura, lo que

provoca un aumento de presin.

3-4: Expansin isoterma del gas a alta

temperatura. Durante este proceso se

absorbe calor de la fuente caliente.

4-1: Cesin de una cantidad de calor al

regenerador a volumen constante,

disminuyendo la temperatura del fluido.

CONTENIDO

Ciclo de potencia

Ciclo de Carnot

Ciclo de Rankine

Fundamentos y elementos a tomar en

cuenta

Practica dirigida

CICLO DE RANKINE

El ciclo de Rankine es un ciclo

termodinmico que tiene como objetivo la

conversin de calor en trabajo,

constituyendo lo que se denomina un ciclo

de potencia. Como cualquier otro ciclo de

potencia, su eficiencia est acotada por la

eficiencia termodinmica de un ciclo de

Carnot que operase entre los mismos focos

trmicos (lmite mximo que impone el

Segundo Principio de la Termodinmica).

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con

vapor de alta presin sobrecalentado.

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal

est formado por cuatro procesos: dos

isoentrpicos y dos isbaricos. La bomba y

la turbina son los equipos que operan segn

procesos isoentrpicos (adiabticos e

internamente reversibles). La caldera y el

condensador operan sin prdidas de carga

y por tanto sin cadas de presin.

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

Los estados principales del ciclo quedan

definidos por los nmeros del 1 al 4 en el

diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2:

mezcla bifsica de ttulo elevado o vapor

hmedo; 3: lquido saturado; 4: lquido

subenfriado). Los procesos que tenemos

son los siguientes para el ciclo ideal

(procesos internamente reversibles):

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

Proceso 1-2: Expansin isoentrpica del

fluido de trabajo en la turbina desde la

presin de la caldera hasta la presin del

condensador. Se realiza en una turbina de

vapor y se genera potencia en el eje de la

misma.

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

Proceso 2-3: Transmisin de calor a presin

constante desde el fluido de trabajo hacia el

circuito de refrigeracin, de forma que el

fluido de trabajo alcanza el estado de

lquido saturado. Se realiza en un

condensador (intercambiador de calor),

idealmente sin prdidas de carga.

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

Proceso 3-4: Compresin isoentrpica del

fluido de trabajo en fase lquida mediante

una bomba, lo cual implica un consumo de

potencia. Se aumenta la presin del fluido

de trabajo hasta el valor de presin en

caldera.

Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el

fluido de trabajo a presin constante en la

caldera.

CICLO DE RANKINE

Diagrama T-s del ciclo

En un primer tramo del proceso el fluido de

trabajo se calienta hasta la temperatura de

saturacin, luego tiene lugar el cambio de

fase lquido-vapor y finalmente se obtiene

vapor sobrecalentado. Este vapor

sobrecalentado de alta presin es el utilizado

por la turbina para generar la potencia del

ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene

realmente descontando la consumida por la

bomba, pero sta suele ser muy pequea en

comparacin y suele despreciarse).

CICLO DE RANKINE

CICLO DE RANKINE

CICLO DE RANKINE

Proceso 1-2: Expansin isoentrpica del fluido de trabajo en la turbina desde la presin de la caldera hasta la

presin del condensador. Se realiza en una turbina de

vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisin de calor a presin constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de

refrigeracin, de forma que el fluido de trabajo alcanza el

estado de lquido saturado. Se realiza en un condensador

(intercambiador de calor), idealmente sin prdidas de

carga.

Proceso 3-4: Compresin isoentrpica del fluido de trabajo en fase lquida mediante una bomba, lo cual

implica un consumo de potencia. Se aumenta la presin

del fluido de trabajo hasta el valor de presin en caldera.

CICLO DE RANKINE

Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera. En un primer

tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la

temperatura de saturacin, luego tiene lugar el cambio de

fase lquido-vapor y finalmente se obtiene vapor

sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta

presin es el utilizado por la turbina para generar la

potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene

realmente descontando la consumida por la bomba, pero

sta suele ser muy pequea en comparacin y suele

despreciarse).

CICLO DE RANKINE

En un ciclo ms realista que el ciclo Rankine

ideal descrito, los procesos en la bomba y en

la turbina no seran isoentrpicos y el

condensador y la caldera presentaran

prdidas de carga. Todo ello generara una

reduccin del rendimiento trmico del ciclo. El

rendimiento isoentrpico de la turbina, que

representa el grado de alejamiento de una

turbina respecto al proceso ideal isoentrpico,

jugara un papel principal en las desviaciones

al ciclo ideal y en la reduccin del rendimiento.

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

El rendimiento isoentrpico de la bomba y

las prdidas de carga en el condensador y la

caldera tendran una influencia mucho

menor sobre la reduccin de rendimiento del

ciclo.

En las centrales trmicas de gas se utiliza

un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el

ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido

de trabajo que se mantiene en estado de

gas durante todo el ciclo (no hay

condensacin).

Adems utiliza un compresor en lugar de

una bomba (constructivamente suele ir

solidariamente unida a la turbina de gas en

un eje comn); por otro lado, el equipo

donde se produce la combustin no se

denomina caldera sino cmara de

combustin o combustor. Los equipos

utilizados en estas instalaciones son ms

compactos que los de las centrales trmicas

de vapor y utilizan como combustible

habitual el gas natural.

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

Finalmente ambos tipos de ciclos se

integran en las centrales trmicas de ciclo

combinado, donde el calor rechazado por el

ciclo Brayton (en su configuracin ms

simple, aportado por los gases calientes de

la combustin que abandonan la turbina de

gas) es utilizado para alimentar el ciclo

Rankine (sustituyendo a la caldera).

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

CICLO COMBINADO

BRAYTON-RANKINE

BIBLIOGRAFA BSICA SUGERIDA

1. Frank Torres Cobian (1994). Termodinmica I.

Teora y problemas resueltos. Fondo editorial de la

Pontificia Universidad Catlica del Per. Primera

edicin. Impreso en Per.

2. Gordon J. Van Wylen, Richard E. Sonntag y Claus

Borgnakke (2003). Fundamentos de termodinmica.

Editorial Limusa, S.A. de C.V. tercera reimpresin de

la segunda edicin. Hecho en Mxico.

3. Kurt C. Rolle (1984). Termodinmica. Nueva

Editorial Interamericana, S.A. de C.V. Primera edicin

en espaol. Impreso en Mxico.

Cdigo

Biblioteca UCV

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

536.71 V21

VAN WYLEN, GORDON. 2010. Fundamentos de

termodinamica. Mexico D.F : LIMUSA WILEY, 2010.

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2012 EJ. 2

CENGEL YUNUS, BOLES MICHAEL. 2012.

Termodinamica. Mexico D.F : McGraw-Hill, 2012.

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HUANG FRANCIS F. 1974. Ingeniera Termodinmica.

Fundamento y Aplicacin.

GRACIAS!

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