Indice1. Introducción 2. Transformaciones Cerradas (Ciclos) 4. Ciclos Técnicos 5. Ciclo de Otto 6. Ciclo Diesel7. Ciclos De Ericsson y Estirling8. Ciclo de Brayton9. Ciclo de Rankine10. Refrigeración11. Transferencia de calor12. Bibliografía
Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten de gran importancia en el estudio de la termodinámica ya que varios sistemas y maquinas se basan en su funcionamiento. Los modernos motores automotrices, camiones, barcos, turbinas de gas son ejemplo de aplicaciones extremadamente útiles de estos procesos. Los motores endotérmicos son maquinas motrices cíclicas en las que la energía interna que posee un fluido (vapor, gas) se transforma parcialmente en energía mecánica, dicho fluido es el medio al que se le proporciona o sustrae en adecuados puntos del ciclo operativo.
2. Transformaciones Cerradas (Ciclos)
Al estudiar un proceso cualquiera desde el punto de vista de la Termodinámica podemos desentendernos de las sustancias que constituyen al sistema, pero necesitamos saber cuántas y cuáles son las magnitudes físicas que pueden determinar unívocamente el estado en que se encuentra dicho sistema, Las magnitudes que sirven para determinar el estado de un sistema, y que pueden variar influencias por causas exteriores, como dijimos anteriormente, se llaman parámetros. La cantidad de parámetros necesaria para determinar unívocamente el estado de un sistema depende de su grado de complejidad. En Termodinámica, para establecer el grado de complejidad de un sistema se introduce el concepto de fase. Se entiende por fase todo cuerpo físico homogéneo o conjunto de cuerpos idénticos y físicamente homogéneos. Por ejemplo, un sistema formado por agua, sobre la cual hay vapor de agua saturado, es un sistema de dos fases: una fase es el agua y otra el vapor saturado. De la misma forma, si en el agua flotan trozos de hielo tendremos también un sistema de dos fases: una dase será el agua y el otra el conjunto de los trozos de hielo. El sistema más simple es el formado por una cantidad determinada de gas perfecto; éste será un sistema monofásico. Los parámetros que determinan unívocamente el estado de este sistema pueden ser dos de las magnitudes siguientes: el volumen V, la presión p y la temperatura T. Las magnitudes V, p y T están relacionadas entre sí por la ecuación de estado, que para los gases perfectos es la fórmula de Mendeléiev-Clapeyron. El estado de un sistema puede representarse gráficamente por un punto tomando sobre los ejes de coordenadas los valores de los parámetros que caracterizan dicho sistema. Por ejemplo, si el estado de un sistema se caracteriza por un volumen V y la presión p, tomando como abscisas los volúmenes y como ordenadas las presiones, tendremos que el estado del sistema caracterizado por los valores p y V dados estará representado por el punto A (fig. 1), cuyas coordenadas son las correspondientes a p y V.
Toda transformación que se cumpla en un sistema está siempre relacionada con una serie de estados de desequilibrio. Pero podemos figurarnos una transformación que se realice de tal forma, que en cada instante, cada uno de sus parámetros tenga un valor determinado y que las variaciones de estos parámetros con el tiempo sean tan lentas que, durante un pequeño espacio de tiempo Δt tomado arbitrariamente, el sistema pueda considerarse en equilibrio. Las transformaciones que se efectúan infinitamente despacio se denominan equilibradas y pueden considerarse integradas por una serie de estados de equilibrios sucesivos. Se dice que una transformación es reversible cuando puede realizarse en ambas direcciones, pero si se cumple primero en un sentido y después en el contrario el sistema deberá volver a su estado inicial, sin que ocurra variación alguna en los cuerpos que lo rodean. Supongamos que el agente de transformación, que al expansionarse pasó del estado C1, al estado C2 (fig. 2), después, por haber sido sometido a presión, vuelve de nuevo al estado C1. Sea la curva C1C´P2 la representación del proceso de expansión. La compresión puede realizarse a lo largo de esta misma curva C2C´C1, pero reconociéndola en sentido contrario. Pero también puede efectuarse dicha compresión por otro camino, por ejemplo, el que representa la curva inferior C2C´C1, para la cual, mientras se comprime la substancia habrá que mantenerla a otra temperatura T2 diferente de T1 de la carrera de expansión.
Todo proceso representado por la curva cerrada C1C´C2C"C1 recibe el nombre de transformación cerrada o ciclo. El trabajo A1 realizado por la substancia al expansionarse, se representa por el área de la figura C1C´C2B2B1; este trabajo es negativo, es decir, A2<0. La suma de estos trabajos es A = A1 + A2. Llamado U1 a la energía interna de la substancia en el estado C1; C2, a la correspondiente al estado C2; Q1, a la cantidad de calor cedida a la substancia (agente de transformación) durante la expansión C1C´C2; y Q2, a la cedida a esta substancia durante la compresión C2C"C1. Por el primer principio de la termodinámica Q1= U2-U1+ A1; -Q2=U1-U2+A2 Que sumando miembro a miembro queda A= A1+A2= Q1+Q2.
Ahora veamos un ciclo inverso al de la figura 2, la expansión de la substancia se efectúa por la curva C1C"C2, realizando un trabajo positivo A1, numéricamente igual al área de la figura C1C"C2B2B1. La compresión se lleva a cabo por la curva C1C"C2, realizando un trabajo negativo A2, numéricamente igual al área de la figura C1C´C2B2B1. El trabajo total será A´=A1+A2 es negativo, puesto que el valor absoluto de A2 es mayor que el de A1. El trabajo realizado por las fuerzas exteriores que actúa sobre el sistema será positivo, A= -A´. Supongamos que durante la expansión de la substancia absorbe del exterior una cantidad de calor Q2, mientras que durante la compresión cede una cantidad de calor Q1. En este caso, todo el proceso se reducirá a lo siguiente: las fuerzas aplicadas al sistema, por parte de los cuerpos exteriores, realizan un trabajo positivo A y el sistema recibe del exterior una cantidad de calor Q2 y cede una cantidad de calor Q1, mayor que Q2. La cantidad de calor cedida Q1, será igual a la suma de calor recibido Q2 y el trabajo realizado por las fuerzas exteriores que actúan sobre el sistema. Q1= Q2 + A. Una máquina que funcione con este ciclo puede servir de refrigerador, puesto que la expansión C1C"C2 se realiza a temperatura más baja que la compresión C2C’C1 y, por lo tanto, la cantidad de calor Q2 puede tomarse de un cuerpo más frío y la Q1 cederse a uno más caliente. La máquina refrigerante funciona a costa de fuerzas exteriores y transporta cierta cantidad de calor Q2 desde un cuerpo más frío (enfriándolo más) a otro mas caliente.
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabática Una máquina que funcione según el principio de Carnot y cuyo rendimiento efectivo sea igual al rendimiento máximo constituye una máquina perfecta, que no es realizable, pero cuyos caracteres deben conocerse para poder aproximarse a ellos lo más posible. Las transformaciones a las que se somete un fluido pueden realizarse de dos formas distintas: 1°. A temperatura constante se obtiene una compresión o una expansión llamada isotérmica, que tiene lugar cuando la variación del volumen se hace en un recinto, mantenido a temperatura constante, que absorbe todo el calentamiento producido en el gas o en el vapor, o que cede calor, si la temperatura tiende a bajar por causa de la expansión. Si se tata de un gas al que puede aplicarse la ley de Boyle-Mariotte, la curva de presión en función del volumen será una curva equilátera representada por la ecuación pv= constante 2°. Cuando el recinto donde se produce la expansión o la compresión está completamente aislado del calor que ninguna de las variaciones de la temperatura del medio que ocupa este recinto puede reducirse por una pérdida de calor a través de las paredes, la transformación se llama adiabática. Se demuestra que la ecuación que relacione el volumen de vapor con la presión es, para un gas perfecto, pvg = constante En la cual g = C/c es el cociente de los calores específicos del gas. Supongamos una máquina térmica que funciones entre las temperaturas T1 y T2. ¿ A qué transformaciones deben someterse los cuerpos empleado entre estos límites para obtener rendimiento máximo?. El ciclo cerrado que representa la variación de las presiones y de los volúmenes del gas en los diferentes puntos del recorrido del émbolo de un motor debe reflejarse, en una curva tomada por las dos isotermas que corresponden a las temperaturas T1 yT2, las cuales se hayan unidas entre sí por dos adiabáticas. Consideremos lo que sería una máquina de vapor perfecta (Fig. 4). Vamos a describir el ciclo partiendo del punto A, que corresponde al momento en que comienza la admisión del vapor debajo del émbolo. Esta expansión debe hacerse sin variación de temperatura, siguiendo la isoterma AB, a la temperatura T1 del vapor admitido. En B cesa la admisión y los gases se expanden siguiendo la curva BC, que es una porción de adiabática entre las temperaturas T1 y T2. Cuando el émbolo llega al punto C, hay un retroceso y un escape del vapor siguiendo la isoterma CD, a la temperatura T2.En el punto D, el escape está cerrado y hay comprensión con calentamiento por la porción de adiabática DA. Este ciclo que es el que debería seguir una máquina perfecta, se denomina ciclo de Carnot. Tiene la propiedad de ser reversible, es decir, de poder ser recorrido indistintamente en un sentido o en otro, y de dar el rendimiento teórico máximo.
No obstante, las aproximaciones al ciclo de Carnot pueden conseguirse únicamente en procesos que se realizan muy despacio y que, desde el punto de vista técnico, no tienen aplicación. Los ciclos que se utilizan en las máquinas térmicas de aplicación técnica son irreversibles y, en realidad, no son cerrados, puesto que la substancia que las realiza se arroja al exterior después de terminar el ciclo. Los ciclos técnicos más utilizados son:
a) el vapor de la caldera comienza a llegar al cilindro; la presión de este se eleva desde el valor p0 (correspondiente a la presión del vapor en el condensador) hasta el valor p1 (correspondiente a la presión del vapor en la caldera); todo este proceso puede considerarse que se realiza a volumen constante V0 (línea EA) b) a medida que el vapor va entrando en el cilindro, el pistón se desplaza de izquierda a derecha y, por consiguiente, el volumen aumenta, a una presión constante p1, desde V0 hasta V1 (línea AB); C) el pistón sigue desplazándose hacia la derecha pero cesa la entrada de vapor en el cilindro y, como resultado, tiene lugar una expansión adiabática del vapor desde el volumen V1 hasta el volumen V2 (línea BC); D) el pistón llega a su posición extrema derecha, el distribuidor abre la lumbrera de salida del vapor y éste pasa al condensador; se produce una rápida caída de la presión hasta el valor P0 (prácticamente a volumen constante V2; (línea CD); e) el pistón se mueve en sentido en sentido contrario, empujando a los restos de vapor con una presión constante p0, y el volumen de éstos disminuye desde V2 a V0.
- Ciclo de funcionamiento de una máquina de vapor a pistón: Este ciclo se reduce a lo siguiente.
- Ciclo del motor de combustión interna de cuatro tiempos. Este ciclo consta de los siguientes procesos:
- La primera carrera del émbolo, de izquierda a derecha (primer tiempo), durante la cual el combustible (vapores de gasolina mezclados con aire) es aspirado y entra por la válvula a. Esta aspiración puede considerarse que, aproximadamente se realiza a presión constante p0, igual a la presión atmosférica; durante este tiempo el volumen aumenta desde V2 hasta V1 (rama EA de la curva);
- La segunda carrera (rama AB), durante la cuál el émbolo, desplazándose hacia la izquierda, comprime adiabáticamente la mezcla aspirada en el primer tiempo, haciendo que su volumen disminuya desde V1 hasta V2 al mismo tiempo que su temperatura se eleva desde T0 hasta T1 y su presión desde p0 hasta p1;
- La explosión de la mezcla comprimida, provoca por una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía M, da lugar al comienzo del tercer tiempo. Al comenzar este tiempo se produce un aumento casi instantáneo de la presión (sin que varíe el volumen, ver rama BC de la curva), hasta el valor p2, y de la temperatura, hasta T2, a expensas del calor que produce la explosión. Después el émbolo se desplaza de izquierda a derecha y tiene lugar una expansión del gas, aproximadamente adiabática, hasta que este ocupa el volumen V1 esta expansión va acompañada de un descenso de temperatura, de T2 hasta T3 (rama CD). Cuando el émbolo llega a su posición extrema derecha, correspondiente al punto D, se abre la válvula de escape V, y la presión desciende a volumen constante V1 hasta el valor P0 (rama DA); la temperatura también desciende hasta el valor T0;
- El cuarto y el último tiempo, durante el cual el émbolo se desplaza hacia la izquierda y empuja a los gases quemados expulsándolos a través de la válvula de escape b (rama AE).
3- Ciclo del motor diesel de cuatro tiempos. El motor diesel funciona de forma semejante al motor de gasolina. La principal diferencia que hay entre ellos consiste, en que el motor diesel, se emplea un grado de comprensión bastante más elevado (que alcanza 30-35 ATM o más). Como esta comprensión se efectúa por vía adiabática, en ella hay una gran elevación de la temperatura, por lo que no hay necesidad de una chispa eléctrica. Además, este motor es más económico, puesto que funciona con combustibles más pesados (petróleo).
El ciclo de motor diesel se compone de los siguientes tiempos:
- Primer tiempo, durante el cual el pistón, al desplazarse, hace que el aire atmosférico penetre en el cilindro (carrera de adición). Este proceso se desarrolla a presión constante, igual a la atmosférica PO (línea EA fig. 6)
- Segundo tiempo, durante el cual el pistón comprime adiabáticamente el aire aspirado en el tiempo anterior (línea AB), hasta una presión P1, dando lugar a que la temperatura se eleve desde T0 hasta un mayor que T1.
- Tercer tiempo, a cuyo comienzo se inyecta el combustible en el cilindro; este combustible se inflama en el aire caliente y se quema, con lo cual hace que el pistón se desplace a presión constante p1; en estas condiciones se eleva la temperatura a expensas de la combustión, desde T1 hasta T2 (línea BC). Después la mezcla formada por los gases formada de la combustión y el aire se expande por vía adiabática (línea CD). Al finalizar el tercer tiempo (punto D) se abre la válvula de escape y la presión que hay dentro del cilindro desciende, a volumen constante V2, hasta igualarse con la atmosférica p0 (línea DA);
- El cuarto y último tiempo, durante el cual la mezcla de los gases y de la combustión se barre del cilindro (línea AE).
Este también es llamado ciclo de encendido por chispa, en este el proceso se realiza a volumen constante. Este ciclo es de interés ya que da el análisis del comportamiento de los motores por ignición de chispa. El ciclo Otto puede ser de 2 o de 4 tiempos. Un ciclo de Otto de 4 tiempos se compone de 4 procesos internamente reversibles, además de una carrera de alimentación y una de expulsión en el ciclo. El ciclo teórico consta de una transformación adiabática (1-2) (compresión), una isocórica (2-3)(combustión), una segunda transformación adiabática(3-4)(expansión) y finalmente una segunda transformación isocórica (4-1)(enfriamiento). El trabajo requerido para expulsar la carga del cilindro tiene la misma magnitud, pero de signo contrario, que el requerido para absorber la nueva carga por tanto estas dos partes del ciclo teórico no afectan el trabajo neto desarrollado. Los parámetros principales que gobiernan la eficiencia térmica de un ciclo Otto son la relación de compresión y la relación de capacidades térmicas específicas. El valor de la eficiencia térmica aumenta al aumentar la relación de compresión, desde el punto de vista practico est limitado por la ocurrencia de la preignición cuando la relación se eleva por encima de 10, para los hidrocarburos comunes la eficiencia térmica aumenta al incrementar el cociente de las capacidades térmicas específicas. , Para tener en cuenta que las capacidades térmicas específicas son variables la eficiencia se debe determinar mediante la relación n = 1- ( u4 – u1 )/( u3 – u2 ) Las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan con las relaciones isoentropicas vr2 = vr1*(v2/v1) = vr1/r y vr4 = (v4/v3) = r*vr3 vr es función solo de la temperatura
Descripción genérica del ciclo: En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape. En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:
- Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.
- Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.
- Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
- Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
- Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
- Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigueñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos. A continuación hay un enlace que muestra una animación del ciclo de un motor de cuatro tiempos
Este se le conoce como ciclo de encendido por compresión y se realiza a presión constante. El método utilizado aquí es en elevar la temperatura de la mezcla de combustible y aire por encima de su temperatura de ignición utilizando relaciones de compresión en el intervalo 14:1 a 24:1 y presiones de compresión de 400 a 700 lb/in2. El ciclo que describe el comportamiento de este proceso es el ciclo Diesel, como el ciclo teórico es limitado solo se describirán sus características básicas. Este ciclo se compone de 4 procesos internamente reversibles, este solo difiere del ciclo de Otto en la fase de combustión (2-3), prevista a presión constante. Mediante un ciclo de aire estándar basado en capacidades térmicas específicas constantes se puede hacer un análisis útil del ciclo Diesel. En esas condiciones, los calores de entrada y salida del ciclo est n dados por q.ent = cp(t3 – t2) y q.sal = cv(t4 – t1) en consecuencia .Diesel = cp(t3 – t2) – cv(t4 – t1)/ cp(t3 – t2) = 1 – t4 – t1/k(t3 – t2) El ciclo Diesel teórico es fundamentalmente función de la relación de compresión r, la relación de combustión rc y la relación de capacidades térmicas específicas k. La eficiencia de este es siempre menor a la de un ciclo Otto para la misma relación de compresión, si rc es mayor que la unidad. En caso de tener que considerar las capacidades térmicas específicas variables, la ecuación de la eficiencia se convierte en .Diesel = 1- u4-u1/h3-h2 Donde u y h se evalúan de tablas, las temperaturas de los estados 2 y 4 se calculan mediante las relaciones isoentropicas vr2 = vr1* V2/V1 =vr1/r y vr4 = vr3*V4/V3 = r*vr3/rc
7. Los Ciclos De Ericsson Y Estirling
Se ha demostrado que el efecto combinado de interenfriamiento, recalentamiento y regeneración es un aumento en la eficiencia térmica de un ciclo de potencia de turbina de gas. Es interesante examinar que pasa cuando el número de etapas tanto de interenfriameiento y de recalentamiento se hace infinitamente grande. En tal situación los procesos isoentropicos de compresión y expansión pasan a ser isotérmicos, el ciclo se puede representar mediante dos etapas a temperaturas constantes y dos procesos a presión constante con regeneración. A un proceso así se le llama ciclo de Ericsson. En este el fluido se expande isotérmicamente del estado 1 al 2 a través de una turbina se produce trabajo y el calor se absorbe reversiblemente desde un deposito a Ta, luego el fluido se enfría a presión constante en un regenerador, del estado 3 al 4 el fluido se comprime isotérmicamente. Esto requiere una entrada de trabajo y una expulsión reversible de calor hacia un deposito a Tb, por ultimo el fluido se calienta a presión constante hasta el estado inicial haciéndolo pasar a contracorriente a través del regenerador. como la única transferencia de calor externa actúa sobre los depósitos y como todos los procesos son reversibles, la eficiencia es igual a la del ciclo de Carnot. No obstante el ciclo de Ericsson es impractico, sirve para mostrar como podría colocarse un regenerador para aumentar la eficiencia térmica. Otro ciclo de mas importancia pr critica y que incorpora un regenerador en su esquema es el ciclo Stirling, este se compone de 2 procesos isotérmicos reversibles y dos procesos a volumen constante también reversibles. El gas se expande isotérmicamente a partir del estado inicial 1 al 2 añadiendose calor desde un deposito a temp. Ta, del estado 2 al 3 se elimina energía a volúmenes constante hasta que la temperatura del fluido es igual a Tb, luego el volumen se reduce de manera isotérmica hasta su valor original, extrayéndose calor reversiblemente hasta un segundo deposito a Tb, finalmente se añade calor a volumen constante desde un estado 4 al 1. Aplicando un balance de energía para estos dos procesos se ve que son de la misma magnitud. El único efecto externo al sistema durante cada ciclo es el intercambio de calor con los 2 depósitos de temperaturas fijas. Aunque el ciclo trabaje igual al de Carnot es difícil construir una maquina sin introducir desventajas inherentes, por ejemplo este opera a presiones elevadas y los fluidos mas adecuados son el helio e hidrogeno, la relación entre peso y potencia no es muy favorable, a excepción cuando se trata de vehículos muy grandes como camiones, también las elevadas temperaturas presentan un problema, no obstante una de las m s grandes ventajas es su alta calidad de emisión ya que este es un motor de combustión externa, el proceso de combustión es mas completo que en uno de combustión interna en términos de contenido de bióxido de carbono, otras ventajas es su operación relativamente silenciosa su confiabilidad y larga vida y su capacidad multicombustible.
Este ciclo se considera el básico en el análisis de turbinas. Este es un ciclo simple para una turbina de gas se emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del ciclo. A continuación se define primero lo que es un ciclo abierto, al inicio el aire se comprime en forma adiabatica en compresor rotatorio axial o centrifugo, el aire entra a una cámara de combustión donde se inyecta y quema combustible a presión constante, los productos de esta combustión luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presión ambiente de los alrededores. Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire continuamente. En el ciclo de Brayton idealizado en comparación al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y temperatura espera en un intervalo de volumen m s amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en maquinas alternativas. Este ciclo consta de compresión adiabatica, calentamiento a presión constante y expansión adiabática. Debido a que los gases que se expanden están más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos. Si se agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la eficiencia. Añadiendo además de interenfriameiento en el compresor y recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida de potencia para un tamaño dado de turbina de gas. La eficiencia térmica del ciclo de Brayton depende principalmente de la relación de presiones, la temperatura de admisión a la turbina y las perdidas parásitas (en especial las eficiencias del compresor y de la turbina). En el caso teórico de un aire estándar ideal sin perdidas internas se puede demostrar que la eficiencia térmica depende solo de la relación de presiones en el compresor (p2/p1). n. Br = 1 – 1/(p2/p1)^(k-1)/k Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia térmica depende también de la entrada de temperatura a la turbina ya que una temperatura mayor significa un incremento de trabajo útil y una reducción proporcionada en el efecto de las pérdidas internas. El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal debido a que las propiedades reales del aire(k, cp) no son constantes sobre este intervalo de temperaturas, y de manera importante por las perdidas internas, estas empiezan a ser significativas arriba de 1367 K y llegan a ser serias a 1922 K.
Este ciclo se compone de cuatro procesos distintos. Comenzando con la bomba de alimentación, el líquido que entra al calentador se lleva primero a la presión del calentador. La energía para el calentamiento y la vaporización del líquido está proporcionada por la acción del combustible en el calentador. Si se requiere el sobrecalentamiento del vapor, este también puede lograrse en el calentador. El vapor sale del generador de vapor y se expande en forma isoentrópica en un motor primario hasta proporcionar la salida de trabajo del ciclo.
Ciclo Rankine con Recalentamiento La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondiente diagrama temperatura-entropía aparece en la siguiente figura. Obsérvese en esta figura que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que el ciclo con recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor hasta el estado 1' sin incurrir en problemas de materiales. El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña.
Ciclo Rankine ideal con recalentamient 3. Ciclo Rankine con Regeneración. La eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se añade calor distinto al de la temperatura más alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo. A continuación se presentan dos métodos, aunque el primero es muy impractico. En la figura A el liquido se bombea hacia unos serpentines en la turbina para lograr una transmisión de calor. Así, podemos decir que el fluido sufre un incremento de temperatura reversible de a hasta b, mientras que se expande y enfría reversiblemente desde d hasta e. La eficiencia térmica de este ciclo regenerativo es igual a la del ciclo de Carnot. La prueba es que en el ciclo existen tres condiciones: El calor es añadido al ciclo a una temperatura constante TAEl calor es rechazado del ciclo a otra temperatura constante TB. Todos los procesos son, o los consideramos, reversibles. Ahora, comparando con las condiciones del ciclo de Carnot, vemos que son iguales. Aunque una turbina como la descrita anteriormente se pudiera construir, seria dañino para ella ya que aumentaría considerablemente la humedad por la disminución de temperatura. Podemos sugerir un método alternativo, el cual consiste en extraer una pequeña porción del vapor en la turbina, antes de que se expanda completamente. Esta extracción se mezcla con él liquido proveniente de una primer bomba en un calentador "abierto" o "por contacto". De esta forma podemos incrementar la temperatura del fluido sin decrementar la calidad del vapor en la turbina. Si tuviéramos una cantidad infinita de puntos de extracción a diferentes temperaturas en el proceso de expansión, la diferencia de temperaturas entre el vapor extraído y él liquido proveniente de la bomba seria mínima, lo mismo pasaría con la irreversibilidad que se produce al mezclar ambos fluidos. Para este sistema hipotético, el calor se transfiere solamente en los puntos donde la temperatura es máxima y mínima. Si tenemos un numero finito de puntos de extracción la irreversibilidad de las mezclas hace que exista una perdida de energía. Aunque estas perdidas se den, la eficiencia térmica de un ciclo regenerativo irreversible puede ser mayor que un ciclo Rankine reversible común. Esto es posible gracias a que en un ciclo regenerativo el calor se añade a una temperatura promedio mas alta, y por eso un mayor porcentaje de este calor puede ser convertido en trabajo. Dado que la mayor perdida de energía de una planta de potencia se presenta en el condensador, en donde se desecha calor al medio enfriador, es pertinente considerar métodos de reducir este calor desechado y de mejorar la eficiencia del ciclo. El método mas deseable de calentamiento del condensador seria uno que fuera reversible y continuo. Suponiendo que esto fuera posible el diagrama T-S estaría representado por la figura siguiente: En este diagrama se considera que el vapor esta saturado al inicio de la expansión. La curva 4-5 es paralela a la 3-6 puesto que se postulo que el calentamiento es reversible. Se observara que el incremento de Entropía durante el calentamiento es igual a la disminución durante la expansión y enfriamiento del vapor, y que el área 4,5,6,3 es igual al área 1,2,3,6,7. En la practica, este ciclo ideal se obtiene de forma aproximada permitiendo que el condensado de la bomba de alimentación se caliente en un calentador o en calentadores separados por el vapor que se extrae de la turbina despues que este se ha expandido en forma parcial y ha realizado un trabajo. El vapor extraído de la turbina puede mezclarse directamente con el condensado (como en un calentador abierto) o bien intercambiar calor en forma directa y condensar (como en un calentador cerrado)
Se tienen dos tipos de calentadores: Abierto.- Donde se mezcla el vapor de extracción y el condensado logrando un liquido saturado. Cerrado.- Es el mas común donde se transmite la energía del vapor extraído por convección al liquido saturado.
Calentador Abierto Calentador Cerrado Resumiendo esta sección, podemos decir que el rendimiento del ciclo RANKINE puede incrementarse disminuyendo la presión de salida, aumentando la presión durante la adición de calor y sobrecalentado el vapor. La calidad de vapor que sale de la turbina se incrementa por sobre el recalentamiento del vapor y disminuye bajando la presión de salida y por el aumento de la presión durante la adición de calor.
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