Ciclos Termodinámicos de Potencia; vapor, gas y combinados.

ETER U2 A1_FERO
Revisión de conceptos básicos de los ciclos de potencia termodinámicos, ciclos de refrigeración y motores térmicos.

1. Ciclos Termodinámicos Termodinámica II Actividad 1. ¿Cómo elegir un sistema?

2. Ciclo de Carnot

3. Ciclo de Carnot El ciclo de Carnot es un ciclo de potencia reversible que actúa entre dos focos térmicos. En este ciclo se presentan 4 procesos reversibles, los cuales son dos procesos adiabáticos que se alternan con 2 procesos isotermos. Se toma en cuenta que el pistón y las paredes del cilindro son adiabáticas En la imagen se muestran los 4 procesos que a continuación desglosamos. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

4. Ciclo de Carnot Procesos 1-2: Se comprime el gas hasta que alcanza la temperatura T c . Este proceso es adiabático. 2-3: Al estar en contacto térmico con el Foco a T c . El gas tiende a expandirse de forma isoterma recibiendo energía en forma de Q c del Foco caliente. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

5. Ciclo de Carnot Procesos 3-4: Se retira del contacto térmico con el foco caliente, por lo que se continua expandiendo pero adiabáticamente. Hasta alcanzar la temperatura T F . 4-1: Se hace contacto con el foco frio a T F , y el gas comienza su compresión isoterma, por lo que cede energía en forma de Q F al foco frío. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

6. Ciclo de Carnot Trabajo El área bajo la curva 1-2: Representa el trabajo consumido para la compresión del gas. El área bajo la curva 2-3 y de 3-4: representan el trabajo realizado por el gas al estar en expansión. El área bajo la curva 4-1: es el trabajo consumido para comprimir el gas. El área encerrada en el Diagrama p-v es el W neto desarrollado. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

7. Ciclo de Carnot Entropía La entropía A-B incrementa debido al cambio de calor positivo, S de B-C es cero dado que es un proceso adiabático y alcanza la temperatura mínima en el proceso. La entropía C-D disminuye en función del calor cedido al foco frío. El diferencial de S de D-A es cero ya que también se presenta en un proceso adiabático. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

8. Ciclo de Carnot Entropía AB : S>0; S=Q 1-2 /T 1 BC : S=0 (adiabático) CD : S<0; S=Q 3-4 /T 2 DA : S=0 (adiabático) Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

9. Ciclo de Otto

10. Ciclo de Otto Es un proceso de cuatro tiempos de ignición por chispa que es aplicado para cantidades pequeñas de trabajo. En el proceso A-B se da una compresión adiabática cuando el pistón pasa del punto muerto inferior al superior, ahí se inyecta el aire fresco. En el proceso B-C hay un incremento de calor debido a una fuente externa, mientras el pistón se encuentra en el PMS, se considera a volumen constante ya que la ignición de la mezcla de aire y combustible es tan rápida que el volumen es aprox, constante. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

11. Ciclo de Otto En el proceso C-D, se presenta una expansión adiabática, debido a que la combustión induce a un incremento de temperatura y presión. El proceso D-A libera calor al entorno al abrir la válvula de escape repentinamente. En ese instante el pistón continua en el PMS, por tanto se considera que es un proceso a volumen constante. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

12. Ciclo de Otto El proceso A-E es el responsable de eliminar los residuos de la combustión en la cámara del cilindro. A través de un decremento del volumen de la cámara al abrir la válvula de escape, a presión atmosférica. El proceso E-A comprende desde que se cierra la válvula de escape y se abre la válvula de admisión. Para alcanzar al punto A. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

13. Ciclo de Otto En 1-2 se tiene una compresión adiabática por lo que no hay incremento en la entropía. En 2-3 se suministra calor a un volumen constante . Por tanto la entropía aumenta en función del calor añadido al sistema. 3-4 se trata de una expansión adiabática, no existe transferencia de calor y la entropía se mantiene constante durante este proceso. 4-1 es la liberación de calor isocora . Por ello la entropía disminuye en función del calor cedido por el sistema. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. ___________________________________

14. Ciclo Diesel

15. Ciclo Diesel A diferencia de los ciclos analizados anteriormente en esta presentación, este ciclo logra la combustión de la mezcla de aire y combustible al comprimir la mezcla hasta alcanzar la temperatura de autoignición de esta. De esta forma se omite el uso de bujías y dispositivos para motores de ignición por chispa. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

16. Ciclo Diesel El ciclo Diésel opera con razones de compresión mas altas que el ciclo de Otto. La ignición se logra a través de un incremento en la temperatura hasta por encima del punto de autoignición de la mezcla de combustible y aire. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

17. Ciclo Diesel P roceso 1-2 se encuentra la compresión adiabática, aumentando la presión y disminuyendo el volumen, ahí es donde se incrementa la temperatura. En el punto 2 se da la autoignición Proceso 2-3 se presenta la combustión de la mezcla de aire con combustible. Proceso 3-4 se desarrolla la expansión adiabática, debida al trabajo ejercido sobre el pistón producto de la combustión. Proceso de 4-1, liberación de calor isocora. Escape de residuos de la combustión. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

18. Ciclo Diesel Por otro lado, la entropía de 1-2 es constante ya que este proceso es adiabático. Pero en el 2-3 se da un suministro de calor al sistema por lo que la entropía aumenta en función de la temperatura y calor añadido al sistema. De 3-4 se mantiene de constante la entropía ya que la expansión es adiabática. De 4-1, se libera una cantidad de calor al entorno. Por tanto, la entropía disminuye. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

19. Ciclo Brayton

20. Ciclo Brayton Este ciclo es de vapor e incluye la operación de diversos dispositivos como compresor axial o rotatorio, combustor y turbina principalmente. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

21. Ciclo Brayton En el proceso de 1-2, el aire del entorno se hace pasar por el compresor por lo que disminuye su volumen y aumenta su presión. En el proceso 2-3, se inyecta combustible y se pasa por el combustor, lo cual provoca que al aumentar la temperatura también aumente el volumen. Para el proceso 3-4 la mezcla se hace pasar a través de la turbina, disminuyendo la presión y aumentando el volumen a medida que pasa por la turbina. En el proceso 4-1, se libera el calor cediéndolo al ambiente a presión constante. Disminuyendo el volumen. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

22. Ciclo Brayton La entropía de 1-2 es constante porque este proceso es adiabático. Pero la temperatura aumenta. Pero en el 2-3 se da un suministro de calor al sistema por lo que la entropía aumenta en función de la temperatura y calor añadido al sistema. De 3-4 se mantiene de constante la entropía debido a la expansión adiabática. La temperatura desciende. De 4-1, se libera una cantidad de calor al entorno a presión cte. Por tanto, la entropía disminuye. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

23. Ciclo Rankine

24. Ciclo Rankine Este se presenta generalmente en las plantas de generación de energía eléctrica y debe su nombre al ingeniero escocés William John Rankine. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

25. Ciclo Rankine Proceso 1-2: expansión isoentrópica a través de la turbina de vapor. Proceso 2-3: el vapor se pasa por el condensador cediendo energía en forma de calor a un sumidero térmico. La entropía disminuye. Proceso 3-4: compresión isoentrópica mediante una bomba que aumenta la presión del liquido. Proceso 4-1: se añade calor al sistema desde una fuente externa y se da un cambio de fase en el liquido de trabajo de liquido comprimido a vapor saturado. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

26. Ciclo Rankine En el punto 1 la caldera suministra calor y entrega vapor de agua que se transporta a la turbina. Ahí el vapor se expande por la diferencia de presión entre la caldera y el condensador, en ese proceso se ejerce trabajo sobre la turbina. El vapor sale en el punto 2, y es admitido por el condensador que entrega liquido condensado a la bomba. La bomba aumenta la presión del condensado en el punto 3 y entrega este a la caldera en el punto 4. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

27. Ciclo Combinado

28. Ciclo combinado En las plantas se pueden construir sistemas que combinan ciclos con distintas sustancias de trabajo para mejorar el rendimiento de la planta completa. Los metales alcalinos como el potasio, sodio y algunas mezclas al utilizarse en ciclos Rankine como sustancias de trabajo, elevan significativamente la eficiencia del sistema. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

29. Ciclo combinado Ciclo combinado binario. Es el ciclo en el cual el calor extraído durante el proceso de eliminación de un ciclo de potencia, se utiliza como la entrada de calor para otro ciclo . Utilizan dos sustancias de trabajo que operan a distintos rangos de temperatura entre sí. El ciclo que opera por encima del otro se le llama ciclo superior o cubierta. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

30. Ciclo combinado Este proceso opera con un intercambiador de calor interconectado a ambos sistemas que sirve como condensador para el ciclo del gas o metal y como caldera en el ciclo del agua. La masa del gas o metal debe ser mayor que la cantidad de masa del agua porque el decremento de entalpia especifica de la sustancia del ciclo superior al condensarse es varias veces menor que el incremento de entalpía especifica del vapor de agua. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

31. Ciclo Combinado de gas-vapor

32. Ciclo combinado Se acoplan dos turbinas. Una de vapor y otra de gas. La temperatura del flujo de escape de una turbina de gas se aproxima a la temperatura de admisión de las turbinas de vapor. Esto representa un beneficio y eleva la eficiencia de la planta en términos globales de energía. Se estudian por separado las eficiencias para cada ciclo para obtener la eff . Global de la planta. Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

33. ¿Cuál es el mejor ciclo? Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. Sin duda se debe tomar en cuenta la aplicación requerida para la potencia generada en el ciclo, pero en términos generales, considero que el ciclo combinado es el mejor ciclo ya que aprovecha la energía calorífica de escape, y de este modo da lugar a la operación de un ciclo independiente que contribuye a la potencia generada, además de que este presenta la eficiencia más elevada entre todos los ciclos expuestos, esto se traduce en reducción de combustibles para la generación de una cantidad de energía, lo cual favorece económica y ambientalmente.

34. ¿ Qué es un ciclo de refrigeración? Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. Los ciclos de refrigeración son aquellos que su principal función es la de remover el calor de forma continua de un cuerpo a baja temperatura con referencia en su entorno.

35. ¿Qué propiedades debe tener un refrigerante? Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. El refrigerante es la sustancia de trabajo de los sistemas de refrigeración y bombeo de calor. La selección de un refrigerante debe contar con la relación presión-temperatura en la que opera fielmente. Se debe tomar en cuenta que no existan presiones muy bajas cuando se evapore, ni que haya presiones excesivamente altas al condensarse. Otros factores son los económicos, que sea amigable con el medio ambiente, su inflamabilidad, el calor latente de condensación ( hfg ) a la temperatura de refrigeración, la presión de saturación a la temperatura de trabajo. De estos el más importante es el calor latente de condensación, ya que al condensarse absorbe mucho calor del espacio que se desea refrigerar.

36. Ciclo de Carnot Inverso Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. El refrigerante se encuentra en estado liquido-vapor pasa a través de un compresor para elevar la temperatura y presión, pasando a un estado de vapor saturado. Este proceso es adiabático. Seguido se pone en contacto con una fuente a alta temperatura y se libera calor hacia ella, la temperatura de este proceso es constante y se da un cambio de fase de vapor saturado a liquido saturado, se da una expansión por lo que la temperatura y presión del refrigerante disminuyen. Pero este queda a temperatura un poco mayor que la del espacio a refrigerar y si estado es liquido-vapor. El refrigerante se transporta a un evaporador y recibe un suministro de calor desde una fuente fría que provoca un cambio de fase a temperatura y presión constantes. La fuente fría es el espacio a refrigerar. La calidad del refrigerante en todo el ciclo es mala.

37. Ciclo de refrigeración de Brayton Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. Este ciclo utiliza un gas refrigerante que inicialmente tiene una temperatura menor a la de la fuente fría, se comprime elevando la temperatura y presión, la temperatura llega a ser más alta que la fuente caliente, se transporta a un intercambiador de calor para liberar energía a la fuente caliente. El gas pierde calor a presión constante, seguido se expande a través de una turbina, disminuyendo su temperatura por debajo de la fuente fría. Se pasa por un intercambiador de calor con la zona a refrigerar, al absorber calor el gas se expande hasta tener una temperatura apenas por debajo de la fuente caliente.

38. ¿Qué es una bomba de calor? Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables. Es una bomba que mantiene la temperatura dentro de un espacio por encima de la temperatura del entorno externo, o en su caso, suministrar un flujo de calor para sistemas de industrias que requieren temperaturas muy altas. Operan de una forma aproximada a los refrigeradores, la variante es la temperatura de operación. Actualmente se puede una bomba de calor tanto como sistema de calefacción, como de aire acondicionado.