Tema 47 – Máquinas térmicas – funcionamiento, clasificación y aplicaciones

INDICE

47.1 Principios fundamentales de la Termodinámica……………………………………………………. .2

a) Términos de uso común utilizados en el tema……………………………………………………………………..2

b) Criterio de signos…………………………………………………………………………………………………………….2

c) Transformaciones de un sistema termodinámico………………………………………………………………….3

d) Primer principio de la termodinámica aplicada a un volumen de control ……………………………….4

e) Segundo principio de la termodinámica aplicada a un volumen de control …………………………….4

f) Transformaciones adiabáticas reversibles……………………………………………………………………………5

g) Ciclo de Carnot……………………………………………………………………………………………………………….5

47.2 Clasificación de las máquinas térmicas…………………………………………………………………. 6

47.3 Motores de combustión interna alternativos……………………………………………………………7

a) Breve historia………………………………………………………………………………………………………………….7

b) Motores de encendido provocado de cuatro tiempos (MEP)…………………………………………………8

c) Motores de encendido provocado de dos tiempos (MEP-2T)………………………………………………..9

d) Motores de encendido por compresión de cuatro tiempos(MEC-4T)……………………………………11

e) Motores de encendido por compresión de dos tiempos (MEC-2T)……………………………………….13

f) Sobrealimentación …………………………………………………………………………………………………………13

47.4 Turbinas de vapor……………………………………………………………………………………………….13

a) Breve historia………………………………………………………………………………………………………………..13

b) Clasificación de las turbinas de vapor………………………………………………………………………………14

c) Ciclo de Rankine o ciclo básico ideal de las turbinas de vapor…………………………………………….14

47.5 Turbinas de gas…………………………………………………………………………………………………..18

a) Breve historia……………………………………………………………………………………………………………..18

b) Funcionamiento…………………………………………………………………………………………………………….19

c) Ciclo de Brayton de una turbina de gas ……………………………………………………………………………20

d) Ciclo de jet de reacción ………………………………………………………………………………………………..21

e) Aplicaciones…………………………………………………………………………………………………………………22

47.6 Ciclos inversos o ciclos de refrigeración e instalaciones frigoríficas ………………….22

a) Coeficientes de funcionamiento ……………………………………………………………………………………..23

b)Ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Brayton e instalaciones frigoríficas de aire……………..23

c) Ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Rankine e instalaciones frigoríficas de vapor …………24

d) Aplicaciones…………………………………………………………………………………………………………………25

47.1 Principios fundamentales de la Termodinámica

a) Términos de uso común utilizados en el tema

Antes de comenzar a explicar los principios termodinámicos conviene aclarar algunos términos de uso común en el tema que nos serán de interés.

Los sistemas termodinámicos pueden ser:

– Abiertos, si en ellos es posible el intercambio de materia y energía con el exterior.

– Cerrados, si sólo es posible el intercambio de energía con el exterior.

– Aislados, si no intercambian ni materia ni energía con el exterior (ej: el universo).

Función de estado, depende solamente de los estados inicial y final del sistema, pero no de los procesos intermedios que haya seguido para pasar de uno a otro.

Las funciones de estado no son independientes entre sí, pues una vez que los valores de varias de ellas definen el estado del sistema, los valores de las demás quedan determinados inmediatamente. Así, por ejemplo, la presión, el volumen y la temperatura (funciones de estado) de un sistema gaseoso se encuentran relacionados entre sí por una expresión matemática denominada ecuación de estado, que para el caso de los gases ideales es: P.V = n.R.T .

Procesos reversibles e irreversibles. Reversible es aquel cuyo sentido se puede invertir en cualquier momento sin más que modificar infinitesimalmente las condiciones externas, encontrándose el sistema siempre en equilibrio. Por el contrario, aquellos procesos en los que los estados intermedios del sistema no son de equilibrio se conocen como irreversibles.

Los procesos reversibles no tienes lugar en la naturaleza.

Entropía. El grado de desorden de un sistema se puede determinar mediante una magnitud introducida por Clausius y conocida con el nombre de entropía, S. Se trata de una función de estado cuyas variaciones, en realidad, solo se pueden medir en los procesos reversibles. En estos procesos, cuando se verifican a temperatura constante, se demuestra que la variación de entropía, DS, es igual al calor absorbido por el sistema, Qrev , dividido entre la temperatura absorbida:

DS = Qrev / T

y en el sistema internacional se mide en J/K unidad denominada clausius

b) Criterio de signos

– Se considera positivo el calor Q absorbido por el sistema y negativo el desprendido

– W es positivo si es trabajo realizado por el sistema contra el medio ambiente (trabajo motor), y negativo si se trata de un trabajo realizado contra el sistema.

– DU es la variación de energía interna que experimenta el sistema en el transcurso del proceso, entendiendo por energía interna la correspondiente a los movimientos de sus partículas (átomos, moléculas, iones, etc.,)y a las posiciones relativas de los núcleos y electrones que las componen.

La energía interna es una función de estado, mientras que el calor y el trabajo dependen de las condiciones en que se verifique el proceso termodinámico.

c) Transformaciones de un sistema termodinámico

Las transformaciones o pasos de un sistema termodinámico desde un estado inicial a otro final pueden tener lugar de distintas formas, representables gráficamente en un diagrama P-V, y T-S, que en el caso de los gases ideales vendrán regidas por la ecuación correspondiente. Las más importantes se recogen en el cuadro siguiente:

d) Primer principio de la termodinámica aplicada a un volumen de control

Con una determinada cantidad de calor siempre puede obtenerse una cantidad definida de trabajo. Condicionada por la expresión:

W = Q

Esto seria cierto si el calor se transformase íntegramente en trabajo, lo que de hecho casi nunca sucede, puesto que al calentar un sistema éste transforma una parte del calor en trabajo y el resto lo destina a modificar su energía interna, U, entendida como energía de las partículas constituyentes, variación de estado de agregación, etc. ; cumpliéndose que :

ò Q = d U + ò W ( ò porque no son funciones de estado, d porque es función de estado)

Y si aplicamos el primer principio a un volumen de control:

Este primer principio se puede enunciar también de una forma más “práctica” en los siguientes términos:

Es imposible construir una máquina que produzca continuamente trabajo sin consumir una cantidad equivalente de energía (calor o energía interna).

e) Segundo principio de la termodinámica aplicada a un volumen de control

Carnot consigue generalizar muchas observaciones realizadas experimentalmente, constituyendo la base del segundo principio de la termodinámica:

T d S = d q + d W irreversible

Según Carnot, para que un sistema realice un determinado trabajo será necesario disponer como mínimo de dos focos caloríficos a distinta temperatura, así el calor se intercambia de forma natural en el sentido de las temperaturas crecientes, es decir, del foco de calor que está a más temperatura, en adelante foco caliente, al foco de calor que se encuentra a menos temperatura, en adelante foco frío. El sistema donde se realiza este proceso recibe el nombre de motor térmico, y su rendimiento viene expresado por la ecuación siguiente:

h = W / Q1 = ½ Q1 – Q2 ½ / Q1

En caso contrario, nuestra máquina térmica debería consumir trabajo, recibiendo el nombre de máquina frigorífica, absorben una cantidad de calor Q2 de un foco frío y ceden calor Q1 a un foco caliente. Para estas máquinas se define la eficiencia o coeficiente de efecto frigorífico como la relación entre el calor absorbido del foco frío y el trabajo necesario para ello:

e = Q2 / W = Q2 / ½ Q1 – Q2 ½

e) Transformaciones adiabáticas reversibles

° Una transformación adiabática es aquella en la que no se intercambia calor con el exterior de las fronteras del sistema: d q = 0

° Una transformación reversible es aquella en la que el trabajo perdido en irreversibilidades (ej.: rozamiento es nulo): d W = 0

° d q = 0 y d W = 0 Þ T d S = 0 Þ d S = 0 adiabático reversible

f) Ciclo de Carnot

Se conoce con este nombre un proceso cíclico simple compuesto por dos transformaciones isotérnicas y otras dos adiabáticas y que tiene lugar reversiblemente, describiendo el sistema la curva cerrada que aparece representada en el diagrama P – V de la figura.

El sistema puede ser sólido, líquido o gas –ideal o no- , y que puede cambiar de fase durante el ciclo.

El trabajo neto que realiza el sistema durante todo el ciclo viene representado por el área rayada de la figura, siendo el balance calorífico Q1-Q2, pero como coinciden los estados inicial y final, DU=0, por lo que, de acuerdo con el primer principio, W =½Q1 – Q2 ½ y el rendimiento del ciclo valdrá:

h = W / Q1 = ( Q1 – Q2 ) / Q1 = 1 – (Q2 / Q1) siendo tanto mayor cuanto más pequeña sea la relación Q2 / Q1

T

T1

Q=W

T2

S1 S2 S

Ahora bien, la entropía del sistema, por ser una función de estado, ha de ser la misma al comienzo y al final del ciclo, siendo nula su variación en las dos transformaciones adiabáticas, mientras que en las isotermas las variaciones respectivas serán: Q1/ T1 y Q2/ T2. Pudiendo expresarse el rendimiento del Ciclo de Carnot en la forma:

h = ( Q1 – Q2 ) / Q1 = ( T1 – T2 ) / T1

El rendimiento de un ciclo de Carnot depende exclusivamente de las temperaturas absolutas de los dos focos caloríficos, siendo independiente de la naturaleza del sistema.

En el caso de que el sistema realice un ciclo, como el trabajo y el calor son equivalentes, el área encerrada en un ciclo en el diagrama T – S coincidirá con el área correspondiente al mismo ciclo representado en el diagrama P – V.

La ventaja que presentan los diagramas T – S consiste en que las transformaciones isotérmicas y adiabáticas vienen representadas por líneas rectas paralelas a los ejes S y T, respectivamente. Así, el diagrama entrópico, del ciclo de carnot será del rectángulo de la figura, que permite calcular fácilmente el rendimiento:

h = ( Q1 – Q2 ) / Q1 = ( T1 – T2 ) . ( S2 – S1 ) / T1 . ( S2 – S1 ) = ( T1 – T2 ) / T1

47.2 Clasificación de las máquinas térmicas

Se pueden establecer varias clasificaciones atendiendo al fluido de trabajo o funcionamiento mecánico por ejemplo:

Se pueden realizar un gran número de clasificaciones más pero estas son las más usuales.

Los ciclos que describen son:

47.3 Motores de combustión interna alternativos

a) Breve historia

La historia de los motores de combustión interna es relativamente reciente. Comienza en la segunda mitad del siglo pasado. Históricamente el motor de combustión interna fue un perfeccionamiento del motor de combustión externa o máquina de vapor; así como posteriormente la turbina de gas de ciclo abierto de combustión interna fue a su vez un ulterior desarrollo del motor alternativo de combustión interna. Al desarrollo espectacular de los motores de combustión interna han contribuido un gran número de investigadores de los principales países industrializados del mundo.

He aquí algunas de las fechas históricas en el primitivo desarrollo de los motores de combustión interna.

– 1857 : BARSANTI Y MATTEUCCI construyen el primer motor de explosión: combustible, pólvora de arma de fuego; motor vertical de pistó libre, que ascendía por la explosión y descendía por gravedad, conectando en el descenso un trinquete para accionar un eje.

– 1876 ; OTTO, ingeniero alemán, construye el primer motor de explosión que alcanzó éxito, según el ciclo Otto por él desarrollado. Por ello Otto merece el nombre de inventor del motor de explosión, que se denomina también motor de encendido provocado en contraposición al motor Diesel o notor de autoencendido. Los primeros motores de este tipo funcionaban a 200rpm.

– 1881 ; CLARK, ingeniero escocés , construye el primer motor de dos tiempos.

– 1882 ; DAIMLER, que se asocia primero con Otto y luego se independiza , construye un motor mucho más revolucionado, a 900 r.p.m. (los motores modernos funcionan frecuentemente por encima de las 4000 r.p.m. ).

– 1897 ; DIESEL, ingeniero alemán, construye el primer motor Diesel, monocilíndrico de 25 CV, después de años de incansable trabajo y de la explosión de un prototipo con peligro de su vida. (Actualmente los grandes motores diesel son de varios kW).

– 1926 ; SEILIGER desarrolla el ciclo mixto que lleva su nombre.

El desarrollo de los motores de combustión interna continúa en la actualidad. A título de ejemplo, mencionaremos los estudios que se realizan para la utilización de H2 y O2 líquidos, combustibles, y comburente respectivamente, para aplicaciones especiales y subacuáticas, e incluso terrestres, a fin de eliminar la contaminación por los gases de escape.

b) Motores de encendido provocado de cuatro tiempos (MEP)

Son los motores de gasolina aunque también pueden funcionar por otros combustibles como alcohol, butano, hidrógeno, etc.

Desde el punto de vista termodinámico, el funcionamiento de los motores de encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico teórico llamado ciclo OTTO.

Funcionamiento

· Básicamente el MEP se basa en un mecanismo cilindro-pistón que provoca un movimiento alternativo. En la parte superior del cilindro en donde se encuentran las válvulas en número de dos, tres, cuatro (comúnmente conocidos como 16Vsiempre que tenga cuatro cilindros) e incluso cinco (vehículos de grandes prestaciones), y las bujías en número de una normalmente aunque aveces dos (ej.: Alfa Romeo Twin Spark). Éste tipo de motores en cada tiempo el cigüeñal da media vuelta.

El funcionamiento básico es el siguiente:

¯ a) Carrera de admisión: el cilindro desciende y se abre la válvula de admisión dejando entrar una mezcla aire-combustible.

­ b) Carrera de compresión: el cilindro comienza a subir comprimiendo la mezcla aire-combustible.

¯ c) Tercer tiempo o expansión : la chispa de la bujía inflama la mezcla, y por la presión de los gases de la combustión el pistón es obligado a desplazarse hacia abajo efectuando su tercera carrera, que será la única útil o de trabajo mecánico (este se almacena en forma de energía mecánica en el volante de inercia).

­ d) Cuarto tiempo o escape: de nuevo comienza el pistón a subir abriéndose la válvula de escape y cerrándose cuando el pistón llega arriba e iniciándose un nuevo ciclo.

Ciclo OTTO de cuatro tiempos (4T)

· Es el ciclo termodinámico básico en que se basan los motores de cuatro tiempos de encendido provocado.

· 1®2 Compresión adiabática reversible, Q = 0

· 2®3 Aporte de calor a volumen constante

· 3®4 Expansión adiabática reversible

· 4®1 Enfriamiento a volumen constante

p

3

Wexp

Q1

2

4

Q2

Wcomp 1

V

T

3

4

2

1

S

Sus rendimientos reales oscilan alrededor del 30% ( 25-30%) puesto que la adiabática sobre todo no es real pues existen pérdidas.

Aplicaciones

– Automoción

– Motores de hélice de aviación (solo pequeños aviones)

– Propulsión marina (lanchas rápidas)

– Grupos electrógenos pequeños, motobombas, cortacésped, etc.

c) Motores de encendido provocado de dos tiempos (MEP-2T)

En el ciclo de dos tiempos se realiza el ciclo completo en dos carreras de pistón. Son motores mucho más simples que los de cuatro tiempos pues no poseen válvulas ni distribución.

Funcionamiento

El funcionamiento básico es el siguiente:

­ a) Primera media vuelta de cigüeñal: el pistón sube comprimiendo la mezcla fresca y descubriendo una

(admisión y compresión) lumbrera(orificio situado en la parte inferior de la pared de cilindro)

o abriéndose una válvula por donde entra la mezcla al cárter. Se

produce la chispa y comienza a bajar el pistón.

¯ b) Segunda media vuelta de cigüeñal: casi al final de la bajada del pistón se descubre la lumbrera de

(expansión +escape) escape o se abre la válvula de escape y se expulsan los productos

quemados (inicio de expulsión ). Poco después entra el

combustible que entró al cárter, a través de la lumbrera de

transferencia y entra mezcla fresca procedente del cárter

desalojando los productos quemados a través de la lumbrera de

escape.

Ciclo OTTO de dos tiempos (2T)

El ciclo es igual y la deferencia es que tiene aproximadamente un poco menos del doble de potencia por giro del cigüeñal, por el contrario el rendimiento es ligeramente menor porque se expulsa parte del combustible sin quemar y además en el cilindro en la fase de compresión junto con la mezcla fresca queda algo de gas quemado no desalojado.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los motores MEP de dos tiempos son en donde se requiere poco peso y no importa mucho la pérdida de combustible por el tubo de escape como motocicletas, cortacésped, aeromodelismo, etc.

d) Motores de encendido por compresión de cuatro tiempos(MEC-4T)

Son los motores que usan como combustible el gasóleo y se ajustan al ciclo termodinámico que describe el ciclo Diesel.

Funcionamiento

El rendimiento del ciclo de Otto que sirve de base al funcionamiento de los motores de explosión viene limitado por la relación de compresión a la cual se produce la autoignición; sin embargo, si se comprime solamente aire y tras la compresión se introduce un combustible adecuado, se pueden obtener rendimientos más altos. Éste es el fundamento de los motores Diesel, en los que si la compresión es elevada se produce una autoignición, teniendo lugar en vez de la explosión una combustión progresiva. Esta autoignición puede directamente en la cámara de combustión (inyección directa, ej.: Audi A4-TDI) ó en una precámara (inyección indirecta). Sintetizando las diferencias:

– El combustible se inyecta y es gasóleo.

– Por la válvula de admisión solo entra aire (por eso es más fácil poner turbo que en gasolina)

– El combustible se autoinflama.

Ciclo Diesel de cuatro tiempos (MEC-4T)

· 1®2 Compresión adiabática reversible

· 2®3 Expansión isobárica (inyección lenta de combustible)

· 3®4 Expansión adiabática reversible

· 3®4 Enfriamiento a volumen constante.

· Q23 = Cv ( T3 -T2 )

· W34 = Cv ( T3 -T4 )

· W12 = Cv ( T2 -T1 )

P Q1

2 3

Wexp

4

Q2

Wcomp 1

V

T

3

4

2

1

S

Es de notar que si el MEP y MEC tuviesen la misma relación de compresión, el hMEP sería mayor que el del hMec , pero como no es así, porque en el MEP la relación de compresión se encuentra limitada por el peligro de autoinflamación, en la realidad el hMec > hMep.

Aplicaciones

– Automoción y maquinaria de obras públicas y agrícola

– Propulsión ferroviaria.

– Propulsión marina.

– Accionamiento industrial y rural.

– Generación de energía eléctrica (centrales de punta generalmente)y equipos auxiliares en hospitales, etc.

Este tipo de motores es requerido donde se necesitan grandes potencias y una reducción de combustible.

e) Motores de encendido por compresión de dos tiempos (MEC-2T)

Se pueden establecer las mismas diferencias que con respecto al motor de gasolina. Sin embargo una diferencia fundamental es que al inyectar el combustible cuando yo deseo no pierdo tanto combustible. Por otra parte es más fácil la turboalimentación por lo que a este tipo de motores les espera un gran futuro, fundamentalmente en automoción con motores Diesel de 2T turboalimentados. Hoy en día se aplican sobre todo en motores de barcos llegando a un rendimiento del 46% (el mayor de un motor de combustión interna).

f) Sobrealimentación

La sobrealimentación es un sistema para incrementar la potencia de los motores de combustión interna, consistente un aumentar la cantidad de mezcla combustible admitida en el cilindro, con respecto a la que entraría en él como consecuencia del simple movimiento del émbolo durante el tiempo de admisión.

La sobrealimentación se consigue aumentando la presión del aire o de la mezcla combustible a la entrada del cilindro. Para ello se intercala en el

circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por

los gases de escape: este dispositivo recibe el nombre de turbo-compresor.

Como los gases se calientan a la salida del compresor, y este aumento

de temperatura no resulta conveniente para incrementar la potencia, se

suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, que

tiene como misión enfriar los gases antes de que penetren en el motor.

Este dispositivo se designa con el término inglés “ Turbo Intercooler”.

47.4_Turbinas de vapor

Las turbinas de vapor se basan en la cesión de entalpía del vapor de agua a los álabes de la turbina que tiene siempre varios escalonamientos.

La turbina de vapor, a diferencia de los motores Otto o Diesel, es un motor de combustión externa. La combustión se realiza fuera de la turbina en la caldera. Donde los gases de combustión no se mezclan con el fluido de trabajo. En los motores de combustión externa el ciclo completo, compuesto de los cuatro procesos termodinámicos de adición de calor, expansión, cesión de calor y compresión, se realiza en el motor; en las turbinas de vapor sólo el proceso de expansión o de realización de trabajo ( W>0 ) se realiza en la turbina, mientras que los tres restantes se realizan en otros órganos distintos: caldera, condensador y bomba.

a) Breve historia

La turbina de vapor ha tenido, desde Laval (ingeniero sueco”1845-1913”), inventor de la primera turbina de acción y Parsons (ingeniero inglés “1854-1931”), inventor de la primera turbina de reacción de aplicación práctica hasta nuestros días, un desarrollo espectacular; dominando en la actualidad en el campo de las grandes potencias empleadas en la propulsión marina, y en las centrales térmicas de combustión fósil (carbón, o combustible líquido ).

Las centrales nucleares o, más aun, las centrales eléctricas que utilizan energía solar, cuyo desarrollo se inicia en la actualidad, son también centrales con turbina de vapor.

Las turbinas de vapor se construyen en la actualidad desde potencias inferiores a 1 kW hasta superiores a 1.000.000 kW, con tendencia a potencias aún más elevada.

b) Clasificación de las turbinas de vapor

b-1) Clasificación según el flujo de vapor

– Turbinas de flujo simple con unidad de condensado: son las que menos vapor se requiere. Expanden el vapor desde una presión inicial hasta una presión menor que la atmosférica. A la salida el vapor entra en un condensador y el vapor condensado vuelve a la caldera.

– Turbinas de flujo simple sin condensador: expanden vapor desde una presión inicial hasta una presión menor que la atmosférica. El vapor de salida no se usa en un condensador sino en otro tipo de proceso donde se usa su energía térmica.

– Turbina de extracción: permite la salida de vapor en algún paso intermedio de la expansión. Se usa en algunos lugares donde existe algún proceso que requiere vapor de calidad intermedia entre el de la entrada y el de la salida.

– Turbina de doble flujo con condensador: tiene un diseño similar a los de flujo simple con condensador excepto el rotor correspondiente al último paso, el cual es dúplex, de dos rotores iguales que son alimentados por el último rotor de la primera fase. Son las más eficientes.

b-2) Clasificación según impulso o reacción

– Turbina de impulso o acción: utiliza en gran medida la energía cinética del vapor. Realizan el trabajo máximo cuando la velocidad del vapor es el doble que la velocidad de los álabes. Son poco usadas Wmax. : V vapor = 2 V álabes

– Turbina de reacción: las más utilizadas. Tienen corona de álabes fijos y álabes móviles. El vapor sufre una expansión doble porque el álabe estacionario actúa como una tobera que impulsa los álabes giratorios. La caída de presión se efectúa por el paso de vapor a través de los álabes fijos por lo que por su diseño modifican el flujo inicial de vapor generado en movimiento tipo jet.

c) Ciclo de Rankine o ciclo básico ideal de las turbinas de vapor

El mayor inconveniente del ciclo de Carnot mencionado al principio del tema es que solo es prácticamente realizable en la zona de vapor húmedo, mientras que en el ciclo de Rankine se utiliza como fluido de trabajo el vapor de agua (y en general cualquier vapor) prolongando la condensación del vapor hasta la curva límite inferior o curva de líquido, a fin de que la expansión se haga en fase gaseosa o en fase mixta (vapor húmedo), y la compresión en fase líquida, con lo cual el trabajo de compresión se reduce drásticamente y aumenta el trabajo neto.

En el ciclo de Rankine el agua sale de la bomba y entra en la caldera en fase líquida con lo cual el calentamiento ya no es isotérmico, como en el ciclo de Carnot, sino que el agua se calienta isobáricamente a la presión de la caldera hasta alcanzar la temperatura de saturación, y luego isobárico-isotérmicamente mientras se verifica la evaporación en la caldera misma.

El ciclo de Rankine está limitado por dos isóbaras (en lugar de dos isotermas como en el ciclo de Carnot) y dos adiabático-isentrópicas.

T

3

2

Vapor

Líquido 1 4

Mezcla S

· 1® 2 Compresión de líquido adiabático-isentrópico

· 2® 3 Calentamiento isobárico

· 3® 4 Expansión adiabático-isentrópico

· 4® 1 Condensación isobárica

Es el ciclo básico utilizado en las turbinas de vapor.

El rendimiento térmico del ciclo de Rankine, como el de todo ciclo es:

ht = Wneto / Qaportado = ( Qa – Qc)/ Qa

En nuestro caso:

Qa = Calor adicionado al agua en la caldera Qa = h4 – h1

Qc = Calor cedido por el agua en el condensador Qc = – (h1 – h5 )

2

1 Bomba Caldera 3

Condensador

4 Turbina

c-1) Variaciones sobre el Ciclo de Rankine

El rendimiento térmico del ciclo es uno de los factores cuyo producto constituyen el rendimiento global o rendimiento económico de una central, denominado rendimiento combustible – bornes del alternador, y la invención de nuevos ciclos ideales de mejor rendimiento que el ciclo de Rankine, son cuestiones decisivas para la mejora de la economía de una central. La elevación del rendimiento se puede conseguir con un aumento de la temperatura de entrada a la turbina, aumento de la presión de entrada en la turbina o disminución de la presión de salida de la turbina.

Elevación del h con el aumento de la presión de entrada en la turbina.

Solo se ha variado la presión de la caldera, que en el ciclo ideal que estamos estudiando es tambien la presión de entrada de la turbina, aumentando el rendimiento térmico del ciclo ideal , pero se comprueba que disminuye el titulo del vapor x a la salida de la turbina y aumenta el grado de humedad y (siendo y = 1 – x)

La humedad máxima del vapor a la salida de la turbina se debe controlar para que no exceda el 10-12%.

Elevación del h con el aumento de la temperatura de entrada en la turbina.

Es más ventajoso elevar el h aumentando la temperatura de entrada en la turbina que aumentando la presión, porque en el primer caso la humedad del vapor disminuye; mientras que en el segundo aumenta.

La evolución de las turbinas de vapor ha ido a aumentar el rendimiento aumentando la temperatura y la presión, con lo cual el h aumenta aún más, evitándose el aumento de humedad con la elevación de la presión conveniente.

Las temperaturas normales más elevadas empleadas hoy en día en las turbinas de vapor suelen ser de alrededor de 550º C, superando esta temperatura es necesario utilizar materiales austeníticos que encarecen demasiado la elevación para el rendimiento obtenido.

Elevación del h con la disminución de la presión de salida de la turbina.

Este ciclo que se comenta a continuación aumenta tambien el rendimiento y aunque se reduzca la presión a la salida de la turbina esta siempre es por encima de la presión atmosférica pues es la más empleada en las centrales eléctricas modernas.

Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento.

El ciclo con recalentamiento intermedio puede ser con recalentamiento sencillo o múltiple aunque solo comentaré con uno sencillo. El recalentador intermedio suele ser parte integrante de la caldera; pero puede ser también una unidad independiente. En el primer caso se utiliza bien el calor de los humos de la chimenea de la caldera (recalentador de convención ) o bien el calor radiante de las llamas (recalentador de radiación ).

Las zonas de alta y baja presión de la turbina antes y después del recalentador pueden estar alojadas en el mismo cuerpo (cilindro o carcasa), separadas por un tabique divisorio, o mejor en cuerpos distintos.

En el ciclo con recalentamiento múltiple el proceso de recalentamiento se repite dos, tres o más veces; pero con tres o más escalonamientos la instalación se encarece tanto que pocas veces compensa el precio de la instalación la mejora de rendimiento obtenido.

Las ventajas de este ciclo son que se mejora el rendimiento y con la disminución del volumen especifico del vapor con el recalentamiento a la entrada del cuerpo de baja presión se permite reducir las dimensiones de dicho cuerpo de baja presión.

T

3 3´

4´

4

2

1 5

S

2

1 Bomba Caldera 3 3’

Sobrecalentador

Condensador Recalentador

5 Turbina 4´ 4 Turbina

de baja de alta

Ciclo regenerativo.

El ciclo de Ericsson tiene el mismo rendimiento que el ciclo de Carnot. La realización práctica de dicho ciclo es imposible, porque se requeriría infinito número de acumuladores de calor. El ciclo regenerativo ó ciclo de acumulación utilizado en la actualidad en las centrales térmicas de gran potencia constituye una aproximación práctica al ciclo de Ericsson, que si no llega a alcanzar el rendimiento del ciclo de Carnot, supera mucho el rendimiento del ciclo de Rankine.

T

4

3

2

1 5

ciclo regenerativo realizado en una central S

El ciclo regenerativo presenta las siguientes ventajas:

Mayor rendimiento del ciclo ideal y real que el ciclo de Rankine. Esto último se debe fundamentalmente a que el proceso real 1-2 fuertemente reversible del ciclo de Rankine se ha mejorado con el precalentamiento múltiple.

c-2) Aplicación de las turbinas de vapor.

Las aplicaciones principales de las turbinas de vapor se pueden reunir en tres grandes grupos: motor primario para producción de energía eléctrica, motor de propulsión de barcos y motor industrial de accionamiento de bombas, compresores, etc…

Los parámetros han variado notablemente en los 40 últimos años de tal manera que el vapor a la entrada de la turbina se ha ido aumentando hasta sobrepasar presiones superiores a diez veces y las temperaturas a la entrada de la turbina se han duplicado.

Nota espectacular en el desarrollo de las turbinas de vapor ha sido el aumento constante de potencia unitaria. En 1900 la turbina de vapor de mayor potencia era de 5 MW, mientras que en la actualidad se mueven potencias superiores a 2000 MW, en un solo eje.

Las turbinas de vapor con sus variaciones sobre el ciclo de Rankine y otros ciclos se utilizan en la actualidad en las centrales eléctricas (tanto de carbón, gasóleo o nucleares ), en la propulsión de buques y en las instalaciones soplantes de hornos altos, resultando interesante su uso en aquellas industrias (como el del papel ) que precisen tanto de vapor como energía eléctrica. Las ventajas, desde el punto de vista del ahorro energético que representan estos procesos de cogeneración hacen que su utilidad se vaya extendiendo cada vez más.

47.5_Turbinas de gas

a) Breve historia

El progreso de la turbina de gas en los últimos decenios, sobre todo al final de la segunda guerra mundial, ha sido verdaderamente espectacular.

El esquema más sencillo de una turbina de gas es el ciclo abierto básico de Brayton, que describiremos en apartados posteriores. Además de este ciclo se han realizado multitud de ciclos mucho más complejos y con gran cantidad de variaciones pero los elementos esenciales de una turbina de gas son: uno o varios compresores, una o varias turbinas e intercambiadores de calor.

El rendimiento de las primeras turbinas de gas proyectadas en Francia y Alemania en el primer cuarto de siglo oscilaba entre el 3 y 15 %, excesivamente bajo para su aplicación práctica. Numerosas y costosísimas investigaciones, llevadas a cabo durante y después de la segunda guerra mundial en Alemania, Inglaterra, Estados Unidos y Francia, han hecho posible los modernos turborreactores, que han invadido el campo de la aeronáutica y las modernas turbinas de gas que encuentran un número creciente de aplicaciones en otros campos.

b) Funcionamiento

En la turbina de gas al igual que en laos MCIA, el combustible y el aire no realizan un ciclo termodinámico estricto. Una de las razones por las que se construyen las turbinas de gas es por su relativa alta potencia en relación con su peso. Su principal inconveniente es su relativamente bajo rendimiento cuando nos alejamos del punto de trabajo.

En una cámara de combustión se quema el combustible y el aire y la entalpía de los gases quemados se cede a los álabes de las turbinas fijas (toberas ) y móviles (rodetes ).

Se puede considerar que la variación de las diversas magnitudes al pasar por la turbina son:

Tobera Rodete Tobera Rodete Tobera Rodete

h

p

Vel

Supongamos : Energía Cinética <<<< Energía Termodinámica ( Dh)

Energía Potencial <<<< Energía Termodinámica ( Dh)

Supongamos proceso adiabático

Supongamos me = ms ( me = masa de entrada; ms = masa de salida )

T

P1 P2

1 2

2s

Wirr S

c) Ciclo de Brayton de una turbina de gas

En el dibujo posterior se muestra el esquema de una turbina de gas que funciona en ciclo abierto sencillo. El aire entra directamente de la atmósfera al turbocompresor (TC), donde se eleva su presión y temperatura, pasando luego a la cámara de combustión (CC) donde se inyecta combustible; a continuación el aire no quemado y mezclado con los gases de la combustión entra en la turbina (TG), donde los gases se expansionan desarrollando una potencia útil, que puede emplearse, como en el dibujo, para accionar un generador (G) u otra máquina cualquiera (bomba, etc…); y finalmente los gases salen a la atmósfera. En el extremo izquierdo del esquema que se ha dibujado también un motor de arranque.

C.C.

m.a.

TC TG Generador

El ciclo ideal de la turbina de gas del dibujo anterior es el ciclo no regenerativo de Brayton representado en los planos pv y Ts a continuación. Para mayor claridad los números en esquemas siguientes se corresponden. El ciclo de Brayton no regenerativo es un ciclo abierto, en el que la admisión y expulsión de los gases se hacen de y a la atmósfera.

Proceso 1-2: compresión adiabático-isentrópica (W12 < 0; Q41 = 0). Tiene lugar en el compresor.

Proceso 2-3: combustión o adición de calor isobárica ( Q23 > 0; p = cte). Tiene lugar en la cámara de combustión.

Proceso 3-4: expansión adiabático-isentrópica (W34 > 0; Q34 = 0). Tiene lugar en la turbina.

Proceso 4-1: expulsión de los gases y cesión de calor isobárica (Q14 < 0, p = cte). Tiene lugar en la atmósfera, porque se trata de un ciclo abierto.

P

2 3 T 3

2 4

1 4 1

V S

rendimiento

d) Ciclo de jet de reacción

Entrada de aire Salida de aire

Difusor Compresor Quemador Turbina Tobera

T

Quemador (isobara) Turbina

Compresor

Tobera

Difusor

La mejora del rendimiento se ha conseguido:

a) Mejorando el rendimiento del turbocompresor, gracias a las investigaciones teóricas y experimentales llevadas a cabo sobre el mismo.

b) Elevando la temperatura de entrada en la turbina, en algunas aplicaciones por encima de los 1000ºC, gracias al progreso de la metalurgia de altas temperaturas;

c) Empleando ciclos (regenerativo, etc…) y esquemas (dos, tres ejes, etc…) diversos.

e) Aplicaciones

Para hablar de las aplicaciones conviene antes aclarar las ventajas que tienen las turbinas de gas:

1.ª ) potencia elevada por unidad de peso y volumen (siempre que se trabaje en el punto de trabajo a régimen constante).

2.ª ) tiempo mínimo de puesta en marcha.

3.ª ) coste por kW instalado reducido.

Además de : exigencia mínima de agua de refrigeración , posibilidad de utilizar combustibles más baratos, gastos de entretenimiento y revisión reducidos.

Las aplicaciones son muy variadas y van desde:

– Aviación se considera la más importante

– Helicópteros

– Barcos de guerra (no para velocidades de crucero, pero sí para proporcionar exceso de potencia necesaria para aceleraciones y maniobra).

– Centrales eléctricas combinadas, energía eléctrica y calefacción (cogeneración)

– En ocasiones para tanques

– Y son ya inminentes realidades en locomotoras, camiones y autobuses, así como coches (ej: el prototipo de Volvo denominado Vehículo suspendido o Hover Craft)

47.6 Ciclos inversos o ciclos de refrigeración e instalaciones frigoríficas

La refrigeración consiste en hacer que en una cámara o recinto la temperatura descienda por debajo de la del medio ambiente y se mantenga luego a esta baja temperatura. Como ninguna cámara o recinto es perfectamente adiabático, sino que absorbe calor del exterior, para mantener dicho recinto a esa baja temperatura, es preciso extraer calor del recinto continua o al menos intermitentemente. Esto implica normalmente el transporte de calor de un recinto a baja temperatura al medio ambiente, a más temperatura.

El transporte de calor se lleva a cabo por intermedio de un fluido transportador de calor que lo denominaremos fluido refrigerante o simplemente refrigerante.

El calor pasa espontáneamente de un cuerpo caliente a otro más frío; pero según la formulación de Clausius del segundo principio “el calor no puede pasar de un cuerpo frío a otro más caliente por sí mismo”. Esto, sin embargo, se puede lograr, aportando trabajo mecánico o calor del exterior: el primer procedimiento se emplea en las instalaciones frigoríficas con compresor y el segundo en las instalaciones frigoríficas de absorción, que, como veremos, funcionan según un principio totalmente diverso.

Cualquier ciclo de trabajo, si se recorre en sentido contrario a las agujas del reloj, da origen a un ciclo inverso o ciclo frigorífico. Los ciclos frigoríficos fundamentalmente utilizados en la práctica son los ciclos inversos de Rankine y de Brayton, correspondientes a los ciclos directos o ciclos de trabajo del mismo nombre.

Los aparatos necesarios para realizar un ciclo inverso o ciclo frigorífico son fundamentalmente los mismos que los necesarios para realizar un ciclo directo o ciclo de trabajo: un compresor y un motor (tanto el uno como el otro pueden ser de desplazamiento positivo, generalmente de émbolo, o turbomáquina, turbocompresor y turbina térmica de vapor o de gas), y dos intercambiadores de calor; finalmente tanto en el ciclo directo como en el inverso evoluciona un fluido de trabajo. Existen, sin embargo, dos diferencias importantes:

a) En los ciclos frigoríficos muy frecuentemente en lugar del motor, en que se expansiona el fluido produciendo trabajo útil se utiliza una válvula de expansión, en la cual no se obtiene trabajo útil alguno. Además la expansión en el motor es idealmente adiabático-isentrópica no así la expansión en una válvula, que es esencialmente irreversible.

b) En el ciclo frigorífico, para un mismo trabajo neto que en el ciclo de trabajo, el compresor es una máquina de más potencia y el motor de menos, para que el trabajo neto sea negativo y en valor absoluto igual en ambos ciclos.

a) Coeficientes de funcionamiento

El coeficiente de efecto frigorífico e se define así:

e = 1 / h = Qa / W = Qa / Qc – Qa

Cuanto mayor es e tanto más eficiente es el ciclo ideal de una instalación frigorífica; porque cuanto mayor es e tanto menor es el trabajo W que es preciso gastar para sustraer una misma cantidad de calor Qa del recinto frigorífico. El coeficiente e en una instalación frigorífica desempeña un papel análogo al rendimiento térmico h en una planta motriz ya que uno y otro sirven para juzgar de la calidad del ciclo ideal.

b) Ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Brayton e instalaciones frigoríficas de aire

La instalación frigorífica de aire constituye uno de los esquemas primeros de refrigeración que se llevaron a la práctica.

El ciclo directo o ciclo de trabajo de Brayton, que es el ciclo básico de las turbinas de gas, fue comentado anteriormente. El ciclo inverso o ciclo frigorífico de Brayton es un ciclo que funciona en circuito cerrado y en sentido inverso al anterior. En ambos ciclos la instalación consta esencialmente de los mismos elementos: un turbocompresor TC, una turbina de gas TG y dos intercambiadores de calor I1 e I2.

Wc

1 TC 2

^Refrigerante

Qa I2 I1 Qc

4 TG 3

Wt

Esquema de realización del ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Brayton

Las instalaciones frigoríficas de aire con compresor de émbolo adquirieron una gran difusión en la segunda mitad del siglo XIX. Luego se fueron poco a poco abandonando a causa de su mal rendimiento. En la actualidad vuelven a utilizarse, pero empleando ciclos regenerativos de mejor rendimiento. Las ventajas de este ciclo son su peso ligero y la utilización de aire, que es un refrigerante no venenoso y no inflamable, a lo cual se debe su utilización actual en el acondicionamiento de aire de los aviones y en otras aplicaciones específicas, donde su empleo se justifique por razones que compensen la desventaja de su rendimiento muy bajo.

T 2

P2

2´

Tc 3

pa

1´ p_1´

1 Ta

4´ p₁

4

S

Ciclo de refrigeración de Brayton en el plano Ts

1) Compresión: proceso adiabático-isentrópico 1-2 Q12 = 0

trabajo del compresor: Wc = -W12 = h2 – h1 = cp ( T2 – T1)

2) Cesión de calor al agua de refrigeración: proceso isobárico 2-3

Qc = -Q23 = (h2 – h3) = cp ( T2 – T3)

3) Expansión : proceso adiabático-isentrópico 3-4 Q34 = 0

trabajo de la turbina de gas: Wt = W34 = h3 – h4 = cp ( T3 – T4)

4) Adición de calor del recinto frigorífico al refrigerante (refrigeración ): proceso isobárico 4-1

Qa = Q41 = (h1 – h4) = cp ( T1 – T4)

Para que esta transmisión sea posible es necesario que en todo este proceso la temperatura del refrigerante sea menor que la del recinto frigorífico

c) Ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Rankine e instalaciones frigoríficas de vapor

El ciclo de refrigeración más frecuentemente utilizado en la actualidad, tanto en las instalaciones domésticas como en las industriales, es el ciclo inverso de Rankine. La única diferencia esencial entre el ciclo de Brayton, que acabamos de estudiar, y el ciclo de Rankine es que en este último tiene lugar un cambio de fase en el ciclo, o dicho con otras palabras, en el ciclo de Brayton el refrigerante es un gas (asimilable, al menos con bastante aproximación, al gas perfecto); mientras que en el de Rankine es un vapor condensable (no asimilable al gas perfecto). La repercusión de este hecho en el rendimiento, favorable al ciclo de Rankine se realiza en fase líquida y requiere menor trabajo.

Antes de entrar en el estudio del ciclo frigorífico de Rankine señalemos las peculiaridades de éste en relación con el ciclo de trabajo del mismo nombre.

Wc

1 Compresor 2

^Refrigerante

Qa Evaporador Condensador Qc

3

5 4

Válvula de expansión

Esquema de realización del ciclo inverso o ciclo de refrigeración de Rankine

1. Trabajo del compresor mayor que trabajo de la turbina. El ciclo inverso de Rankine se recorre en sentido contrario a las agujas del reloj, con lo cual

½ Wc ½ > Wt

donde Wc es el trabajo del compresor

Wt es el trabajo de la turbina

2. Válvula de expansión en lugar de turbina. En el ciclo frigorífico se sustituye con mucha frecuencia, la expansión en la turbina por la expansión en una válvula, con lo cual el ciclo pierde un poco en eficiencia; pero gana mucho en simplicidad.

3. Refrigerante distinto del agua, a causa de su gran volumen específico en la zona próxima a la saturación a 0º C

4. Nombre y función de los intercambiadores de calor. En el ciclo frigorífico en el intercambiador de calor correspondiente a la fuente fría mientras que en el ciclo directo en la fuente fría tiene lugar la condensación por eso el intercambiador se llama condensador.

d) Aplicaciones

La técnica de la refrigeración con sus múltiples aplicaciones ha alcanzado en la actualidad un desarrollo extraordinario, como lo evidencia sus múltiples aplicaciones:

– conservación de productos alimentarios en los hogares domésticos, supermercados, almacenes, barcos, etc….;

– refrigeración y acondicionamiento de viviendas, locales comerciales, fabricas, etc..

– procesos de fabricación diversos: tratamientos de metales a bajas temperaturas, tratamiento de caucho para aumentar su resistencia al desgaste, etc..

– separación de los gases por enfriamiento de la mezcla;

– obtención de nitrógeno, oxígeno, etc…

– y mención especial merece el campo de las temperaturas muy bajas que recibe el nombre de criogénica, de múltiples aplicaciones en la ciencia y la técnica.