CICLO DE VAPOR EN TERMODINAMICA Y SUS EVOLUCIONES.pptx

Son los ciclos termodinámicos

1. CICLO DE VAPOR 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]. Los ciclos de vapor los podemos dividir entre ciclos de vapor abiertos y ciclos de vapor cerrados. 

2. 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).

3. 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 de 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.

4. En diagrama  p-V , el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondientePor lo tanto la  máquina  opera entre la presión  p cald  y  p atm , las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC)

5. En diagrama  T-S  el ciclo abierto se describe como sigue: El agua está inicialmente a  T amb  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.

6. 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.

7. El condensador Este está compuesto por una  carcaza  tubular de gran diámetro. El interior de la carcaza tiene un gran haz de  tubos por el interior de los cuales circula agua de  refrigeración . El  vapor  entra por el exterior de la carcaza y rodea el haz de tubos. Como los tubos están más fríos que el vapor, este  condensa.   Las gotas de condensado que se forman en los tubos van cayendo al fondo de la carcaza. Allí se recolectan y se extraen del condensador. Como la temperatura de condensación es muy inferior a 100ºC y suele estar muy cercana a la temperatura  ambiente, la  presión  dentro del condensador está por debajo de la presión atmosférica y típicamente está por debajo de 0,1 bar absolutos. Esto hace que la máquina que opera entre la  caldera  y el  condensador  disponga de un mayor salto de presión utilizable.

8. La  bomba  recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado ( 3 ) y comprime el agua hasta la presión de la  caldera  ( 4 ). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En ( 1 ) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al  expansor . En este ejemplo el expansor es una  turbina . Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación ( 2 ). El vapor que descarga la máquina entra al  condensador  donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae ( 3 ) prácticamente como líquido saturado.Allí la  bomba  comprime el condensado y se repite el ciclo.

9. En diagrama  p-V , el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En ( 1 ) la caldera entrega vapor  saturado  (por lo tanto con título x=1), el que se transporta a la  turbina . Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo  W . La  turbina  descarga el vapor en el estado ( 2 ). Este es vapor con título x<1 y el vapor es admitido al  condensador . Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución ( 2 )-( 3 ),  y del condensador se extrae  líquido condensado  con título x=0, en el estado ( 3 ). Luego la  bomba aumenta la presión del condensado de  p cond   a  p cald  , evolución ( 3 )-( 4 ) y reinyecta el condensado en la caldera. Por lo tanto la  máquina  opera entre la presión  p cald  y  p cond , las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en el condensador. Esta última presión es inferior a la presión atmosférica.

10. En diagrama  T-S  el ciclo Rankine se describe como sigue: El vapor está inicialmente con título 1, como vapor saturado  ( 1 ), luego el vapor se expande en la  turbina , generando trabajo, evolución ( 1 )-( 2 ). Esta evolución se puede suponer adiabática. Si además se supone sin roce, se asimilará a una isentrópica . Si hubiera roce, la entropía aumentaría (como veremos más adelante). A la salida de la  turbina  el vapor tendrá título inferior a 1. El vapor que descarga la  turbina  es admitido al  condensador , donde condensa totalmente a temperatura y presión constantes, evolución ( 2 )-( 3 ). Sale del  condensador  en el estado ( 3 ) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la  bomba , evolución ( 3 )-( 4 ), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. Si bien la presión aumenta en forma significativa, la temperatura casi no sube. Idealmente esta compresión también es adiabática e isentrópica , aunque realmente la entropía también aumenta. En el estado ( 4 ) el líquido está como líquido subsaturado . Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso ( 4 )-( 1 ) ocurre dentro de la caldera. Incluímos el punto  4' que es cuando se alcanza la saturación, pero solo para efectos ilustrativos.

11. CICLO HIRN el ciclo de  Hirn  es básicamente un ciclo de  Rankine  al que se le agrega un  sobrecalentamiento . Esto lo vemos ilustrado en las siguientes figuras que muestran en detalle el proceso en diagrama de bloques,  p-V  y  T-S . 

12. Ciclo hirn La  bomba  recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado ( 4 ) y comprime el agua hasta la presión de la  caldera ( 5 ). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En ( 1 ) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al sobrecalentador . Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como  vapor sobrecalentado  en el estado ( 2 ). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva al  expansor o turbina . Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación ( 3 ). El vapor que descarga la máquina entra al  condensador  donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae ( 4 ) prácticamente como líquido saturado.Allí la  bomba  comprime el condensado y se repite el ciclo.

13. En diagrama  p-V , el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En ( 1 ) la caldera entrega vapor  saturado  (por lo tanto con título x=1). Luego se tiene el proceso ( 1 )-( 2 ) en que el vapor se  sobrecalentado  a presión constante. Sale en el estado ( 2 ) y allí entra a la  turbina . Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador [proceso ( 2 )-( 3 )], produciendo el trabajo  W . La  turbina  descarga el vapor en el estado ( 3 ). Este es vapor con título x<1, pero más seco que en el ciclo de Rankine , es admitido al  condensador . Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución ( 3 )-( 4 ),  y del condensador se extrae  líquido condensado  con título x=0, en el estado ( 4 ). Luego la  bomba  aumenta la presión del condensado de  p cond   a  p cald  , evolución ( 4 )-( 5 ) y reinyecta el condensado en la caldera. 

14. En diagrama  T-S  el ciclo  Hirn  se describe como sigue: El vapor está inicialmente con título 1, como vapor saturado  ( 1 ), luego se sobrecalienta en el proceso ( 1 )-( 2 )el vapor se expande en la  turbina , generando trabajo, evolución ( 2 )-( 3 ). Esta evolución es, en principio, isentrópica .  A la salida de la  turbina  el vapor tendrá título inferior a 1, pero saldrá mucho más seco que en el ciclo de  Rankine . Incluso nada impide que el vapor saliera como vapor sobrecalentado.El vapor que descarga la  turbina  es admitido al  condensador , donde condensa totalmente a temperatura y presión constantes, evolución ( 3 )-( 4 ). Sale del  condensador  en el estado ( 4 ) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la  bomba , evolución ( 4 )-( 5 ), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. En el estado ( 5 ) el líquido está como líquido subsaturado . Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso ( 5 )-( 1 ) ocurre dentro de la caldera. Incluímos el punto  5'  que es cuando se alcanza la saturación, pero solo para efectos ilustrativos.

15. Ciclo de Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) fue un científico, físico e ingeniero militar francés. Un retrato suyo se puede ver en el cuadro base. Sus amigos lo describían como reservado, casi taciturno, pero con una curiosidad insaciable en cuestiones sobre ciencia y procesos técnicos. Carnot es frecuentemente considerado como el "Padre de la Termodinámica" siendo el responsable de lo que es conocido como "Ciclo de Carnot", propuesto por él en 1824. El "Ciclo de Carnot" es uno de los ciclos termodinámicos teóricos reversibles más conocidos.

16. Además, es el ciclo más eficiente para convertir una determinada energía térmica en trabajo, oinversamente , crear una diferencia de temperatura (es decir, refrigeración) haciendo una determinada cantidad de trabajo. Aunque tales ciclos no pueden ser conseguidos en la práctica, proporcionan los límites superiores de rendimiento a que pueden llegar los ciclos reales. El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles que se muestran en el recuadro blanco situado en el centro de la pintura de Van Gogh. Los cuatro procesos reversibles que constituyen el ciclo de Carnot son los siguientes:

17. 1) Expansión isoterma reversible: proceso 1-2 en la figura sobre blanco. La transferencia de calor desde el foco caliente, el Sol, al cilindro debe tener lugar con una diferencia infinitesimal de temperatura para que ésta sea un proceso reversible. El gas del cilindro se expande lentamente, realiza un trabajo sobre los alrededores y se mantiene a temperatura constante, Tc. La cantidad total de calor transferido al gas durante este proceso es Q1 que es representado por el calor transferido por el sol. 2) Expansión adiabática reversible: proceso 2-3 en la figura. El gas del cilindro continúa la expansión lentamente y realiza trabajo hacia los alrededores mientras la temperatura del gas cae desde Tc hasta Tf La suma del trabajo realizado en estos dos procesos 1-2 y 2-3 es W1. Simbólicamente, este trabajo está representado por el realizado por el sembrador que al andar aplica una fuerza y recorre una distancia.

18. 3) Compresión isoterma reversible: proceso 3-4 en la figura. El cilindro es puesto en contacto con un foco frío (sumidero de calor) a la temperatura Tf . La cantidad total de calor devuelto al foco frío desde el gas durante este proceso es Q2, representada por el cuadro " Creator's Dance" del pintor austríaco De Es  Schwertberger (1942). Este proceso de compresión consume un trabajo que se realiza sobre el gas.  4) Compresión adiabática reversible: proceso 4-1 en la figura. En esta etapa el gas se comprime de forma adiabática subiendo la temperatura desde Tf hasta Tc. La suma total de trabajo de compresión de las etapas 3) y 4). W2, viene representado por la imagen de un hombre actuando sobre un compresor. El trabajo neto realizado por esta máquina cíclica es la diferencia W1 - W2. El rendimiento η se define como el trabajo realizado por la máquina dividido por el calor consumido por (o transferido desde) el foco caliente: η = (W1 - W2)/Q1

19. Eficiencia de los ciclos Bueno como conclusión hay comparar cuál de los ciclos tiene una mejor eficiencia el uno con el otro ya que en base a esta investigación se toma en cuenta las condiciones, los materiales, los tipos de fluidos , el tiempo, el recorrido, los cambios de estado que en termodinámica es muy contantes, ya que se requiere para ejercer dicho trabajo. Ciclo de vapor: este ciclo al contrario de los demás no es reversible ya que se espulsa el vapor pero es de los mas viejos y eficientes ya que su funcionamiento es siemple como calentar agua y utilizar el vapor de ella, claro en mecanismos grandes hay que estudiar la resistencia de los materiales... Ciclo de rakine : este ciclo de es similar al ciclo de carnot solo con la diferencia de que este lleva un condesador para regresar a estado liquido la sustancia Ciclo de carnot : este ciclo a diferencia de los otros tienen 4 etapas, 2 isotermicas y 2 adiabaticas donde disminuye la presion y aunmenta el volumen de hecho es un principio de la termodinamica por los cambios de estado Ciclo de hirn : este es casi igual al  ciclo de rankine pero a diferencia de este con el de rankine y carnot , este lleva un sobre calentado y hace mas eficiente el trabajo, en estos ciclos lo parecido es que son reversibles solo lo importante es saber convertir la energia con trabajo o calor con trabajo.