Ciclo de vapor de carnot

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Ciclo de vapor de carnot

  1. 1. TERMOCICLOS VIRTUAL ͟͠͞͡ CICLO DE VAPOR DE CARNOTComo vimos en la sección de “Contenido Introductorio”, el Ciclo de Carnot es el más eficiente delos ciclos que operan entres dos límites de temperatura, por lo que inicialmente, consideraremos aeste ciclo, como un prospecto de ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Fig. 1 Diagrama T-vs-s de un Ciclo de vapor de Carnot. Fuente: Termodinámica, Çengel- Boles, 6ta EdiciónEl ciclo de vapor de Carnot consta de 4 procesos reversibles, como se muestra en la figura 1. Elfluido de trabajo, que en este caso es agua: • Se calienta de forma isotérmica en una caldera. Proceso 1-2 ܳଵିଶ ൌ ܳு ൌ ܶு ሺ‫ݏ‬ଶ െ ‫ݏ‬ଵ ሻ • Se expande isentrópicamente y adiabáticamente en una turbina. Proceso 2-3 ܹଶିଷ ൌ ݄ଶ െ ݄ଷ • Se condensa isentrópicamente e isotérmicamente en un condensador, Proceso 3-4 rechazando calor. ܳଷିସ ൌ ܳ௅ ൌ ܶ௅ ሺ‫ݏ‬ସ െ ‫ݏ‬ଷ ሻ • Se condensa de forma isentrópica y adiabática mediante un compresor Proceso 4-1 hasta su estado inicial. ܹସିଵ ൌ ݄ସ െ ݄ଵ 1
  2. 2. TERMOCICLOS VIRTUAL ͟͠͞͡Las ecuaciones mostradas anteriormente, se obtienen aplicando la primera ley de latermodinámica; conociendo el comportamiento del fluido en cada proceso.Aplicando el principio de la conservación de la energía en todo el ciclo: ‫ܧ‬௘௡௧௥௔ௗ௔ ൌ ‫ܧ‬௦௔௟௜ௗ௔ ܳு ൅ ܹସିଵ ൌ ܳ௅ ൅ ܹଶିଷ ܳ௅ െ ܳு ൌ ܹଶିଷ െ ܹସିଵ ൌ ܹ௡௘௧௢Y mediante el concepto de eficiencia térmica, podemos observar que para este ciclo: ܹ௡௘௧௢ ܳ௅ ܶ௅ ሺ‫ݏ‬ଷ െ ‫ݏ‬ସ ሻ ߟ௧௘௥ ൌ ൌ1െ ൌ1െ ܳு ܳு ܶு ሺ‫ݏ‬ଶ െ ‫ݏ‬ଵ ሻComo la entropía ‫ݏ‬ଷ ൌ ‫ݏ‬ଶ y ‫ݏ‬ସ ൌ ‫ݏ‬ଵ obtenemos que, ܳ௅ ߟ௧௘௥ ൌ 1 െ ܳு ܶ௅ ൌ 1 െ ܶுINCONVENIENTES DE ESTE MODELODebido a diversos inconvenientes, este ciclo no es un modelo apropiado para los ciclos de vapor, yes impráctico. Algunos inconvenientes que surgen en el mismo son: 1. En la práctica, no es difícil lograr la transferencia isotérmica de calor (ver procesos 1-2 y 3- 4, Fig.1), hacia o desde un sistema que conste de dos fase, debido a que si se fija un valor de presión constante en el dispositivo, automáticamente, el dispositivo fija la temperatura en el valor de saturación. Sin embargo, se presenta el inconveniente de que al restringir los procesos de transferencia de calor, a sistemas de dos fases, se limita drásticamente la temperatura máxima que el ciclo puede alcanzar. En el caso del agua, la temperatura máxima que puede utilizarse es de 374 ºC, valor que corresponde al punto crítico. Restringir el valor máximo de temperatura alcanzable también implica una limitante en la eficiencia térmica del ciclo. Al intentar aumentar la temperatura máxima en el ciclo es inevitable la transferencia de calor hacia el fluido de trabajo en una sola fase, lo cual no es fácil realizar, de modo isotérmico. 2. El proceso de expansión isentrópica (ver proceso 2-3) puede aproximarse bastante mediante una turbina bien diseñada. Sin embargo, en este proceso se presenta una disminución de la calidad del fluido por lo que la turbina tiene que manejar un vapor con baja calidad (alto contenido de humedad) lo que implica la presencia de gotas líquidas que 2
  3. 3. TERMOCICLOS VIRTUAL ͟͠͞͡ chocan contra los álabes de la turbina, produciendo el desgaste de la misma. Vapor con calidades menores a 90% no puede ser tolerado en la operación de las centrales eléctricas.3. El proceso de compresión isentrópica (ver proceso 4-1) conlleva la compresión de una mezcla de líquido y vapor hasta ser líquido saturado lo cual no es posible debido a lo impráctico de diseñar un compresor que maneje dos fases (solo se cuenta con la bomba que maneja líquidos y el compresor que maneja gases) y a la incontrolable precisión del proceso de condensación, de forma tal que se obtenga la calidad deseada en el estado 4. Una posible solución a algunos de los problemas del ciclo de vapor de Carnot mostrado en la figura 1 es ejecutar el ciclo de forma diferente, como se muestra en la fig. 2, pero este ciclo presentar otros inconvenientes como la compresión isentrópica a presiones muy elevadas y la transferencia isotérmica de calor a presiones variables (proceso 1-2, fig. 2)Fig. 2 Diagrama T-vs-s para otro ciclo de vapor de Carnot. Fuente: Termodinámica, Çengel- Boles, 6ta Edición 3

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