This document discusses heat exchangers, Rankine and Brayton cycles, combined cycles, cogeneration cycles, and provides examples of calculations for a Rankine cycle. It defines open and closed heat exchangers, explains how Rankine and Brayton cycles have the same processes but different T-s diagrams due to different working fluids, describes combined and cogeneration cycles which improve efficiency, and shows calculations for heat supplied, efficiencies, work, and conclusions for a sample Rankine cycle problem.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
a) ¿Qué entiendes por intercambiador de calor abiertos y cerrados?
Aplicaciones y esquemas de detalle.
Un intercambiador de calor son dispositivos que están diseñados para
transferir calor entre dos fluidos o entre la superficie de un sólido.
Los intercambiadores de calor tipo abierto involucra la ley de la conservación
de la materia y la primera ley de la termodinámica. son dispositivos en que la
corriente de fluido de entrada circula hacia una cámara abierta y ocurre una
mescla física completa entre los dos fluidos.
Un intercambiador de calor tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre
transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o no
tienen contacto entre sí, están separadas por una pared de tubo, o cualquier
otra superficie que pueda estar involucrada en la transferencia de calor. La
transferencia de calor ocurre por convención desde el fluido más caliente a
la superficie sólida, por conducción a través del sólido y desde la superficie
sólida al fluido frio por convección.
b) Los ciclos Rankine y Brayton están formados por los mismos cuatro
procesos, pero su representación en un diagrama T-s es totalmente
diferente. Explícalo
La diferencia del ciclo brayton y rankine es que utiliza un fluido de trabajo que
se mantiene en estado de gas (no hay condensación). Utiliza un compresor
en lugar de una bomba.
Donde se realiza la combustión no se denomina caldera sino cámara de
combustión o combustor, estos factores hacen que los diagramas t-s sean
diferentes ya que en el ciclo Rankine aparece una campana que hace
referencia al cambio de fase de líquido-vapor.
c) ¿Qué entiende por ciclo combinado, y por ciclo de cogeneración?
Aplicaciones y esquemas de detalle.
El ciclo combinado consiste en la integración de dos o más ciclos
termodinámicos energéticos, para lograr una conversión más completa y
eficiente de la energía aportada en trabajo o potencia.

2. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la
eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor
vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas,
selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía
1Esquema del ciclo combinado

3. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
El ciclo de cogeneración consiste en el uso local del calor residual, originando
en los procesos termodinámicos de generación de electricidad que de otro
modo se perdería, la recuperación puede tener lugar en forma de vapor, agua
caliente y/o fría(tri-generación). para una aplicación secundaria que puede o
no estar relacionada con el proceso principal.
Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el
aprovechamiento de la energía primaria del combustible es del 25% al 35%,
lo demás se pierde. Al cogenerar se puede llegar a aprovechar del 70% al
85% de la energía que entrega el combustible. La mejora de la eficiencia
térmica de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor residual
de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna para
la generación de electricidad.
2 sistema de cogeneración

4. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
d) Consiste en un ciclo Rankine ideal simple con condiciones fijas a la
entrada de la turbina. Cuál es el efecto que provoca reducir la presión
del condensador.
 La entrada de trabajo de la bomba
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 La salida de trabajo de la turbina
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El suministro de calor
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El rechazo de calor
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 La eficiencia del ciclo
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El contenido de la humedad a la salida de la turbina
a) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
e) Considere un ciclo Rankine ideal simple con temperatura fija a la
entrada de la turbina y presión fija del condensador. Cuál es el efecto
de aumentar la presión de la caldera en.
 La entrada de trabajo de la bomba
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 La salida de trabajo de la turbina
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El suministro de calor
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El rechazo de calor
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 La eficiencia del ciclo
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.
 El contenido de la humedad a la salida de la turbina
b) Aumenta B) disminuye c) permanece igual.

5. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
Un ciclo Rankine en el que el vapor sobrecalentado suministrado a la turbina se
encuentra a una presión de 30 bar y a 400 ºC. en la primera turbina de alta
presión hasta 0.6 bar, y recalienta hasta la temperatura de 380 ºC. La presión
en el condensador es de 0,075 bar. Flujo másico 79,5 kg/seg. Incluyendo en el
análisis que las turbinas y la bomba tienen un rendimiento isoentropico del 92 %
y 88 % respectivamente. Determinar:
a) Esquema y diagrama T-s.
b) El calor transferido ideal al fluido de trabajo a su paso por el generador de vapor, en
kW.
c) El calor transferido real al fluido de trabajo a su paso por el generador de vapor, en
kW.
d) La eficiencia térmica del ciclo ideal.
e) La eficiencia térmica del ciclo real.
f) Potencia neta del ciclo ideal, en kW.
g) Potencia neta del ciclo real, en kW.
h) Relación de trabajos ideal.
i) Relación de trabajos real.
j) Con sus propias palabras redactar las conclusiones de los cálculos
realizados.

6. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
SOLUCIÓN:
Estado 1:
P1 = 30 bar, T1 = 400 ᵒC
De tablas de vapor sobrecalentado calculamos h1 𝑦 s1
 h1 = 3230.9 kJ/kg, s1 = 6.9212 kJ/kg K
Estado a:
Pa = 0.6 bar
sa = s1 = 6.9212
kJ
kg
K
Para determinar la entalpia en el estado a, se tiene que calcular la calidad (X) que es la
cantidad de vapor de toda la mescla.
sfa = Xa(sfg)
𝑋𝑎 =
sfa
sfg
=
sa − sf
sg − sf
𝑋𝑎 =
sfa
sfg
=
sa − sf
sg − sf
=
6.9212 − 1,1453
7,5320 − 1,1453
= 0.9044
Por lo tanto, determinamos la entalpia especifica en el estado a
hfa = Xa(hfg)
ha = hf + Xa(hg − hf)
ha = 359.86 + (0.9044)(2653.5 − 359.86) = 2434.23 kJ/kg
La entalpia especifica en la salida de la turbina, estado ar, se puede determinar utilizando la
definición del rendimiento de la turbina.
𝜂𝑡1 =
(𝑊
̇𝑡)𝑟
𝑊
̇𝑡
=
𝑚
̇ (ℎ𝑎𝑟 − ℎ1)
𝑚
̇ (ℎ𝑎 − ℎ1)

7. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
Calculamos ℎ𝑎𝑟 utilizando los valores conocidos
ℎ𝑎𝑟 = ℎ1 + 𝜂𝑡1(ℎ𝑎 − ℎ1) = 3230.9 + 0.92(2434.23 − 3230.9)
ℎ𝑎𝑟 = 2497.96 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Estado b:
Pb = 0.6 bar, Tb = 380 ᵒC
De tablas de vapor sobrecalentado: hb = 3237.72 kJ/kg, sb = 8.7373 kJ/kg K
Estado 2:
P2 = 0.075 bar
s2 = sb = 8.7373
kJ
kg
K
Para determinar la entalpia en el estado 2, se tiene que calcular la calidad (X) que es la
cantidad de vapor de toda la mescla.
sf2 = X2(sfg)
𝑋2 =
sf2
sfg
=
s2 − sf
sg − sf
Reemplazamos los valores:
𝑋2 =
sf2
sfg
=
s2 − sf
sg − sf
=
8.7373 − 0.5747
8.2541 − 0.5747
= 1.063 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾
Por lo tanto, determinamos la entalpia especifica en el estado 2
hf2 = X2(hfg)
h2 = hf + X2(hg − hf)
h2 = 168.2925 + (1.063)(2574.6 − 168.2925) = 2726.2 KJ/kg
Calculamos la entalpia especifica en la salida de la turbina, estado 2r, se puede determinar
utilizando el rendimiento de la turbina.

8. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
𝜂𝑡 =
(𝑊
̇ 𝑡)𝑟
𝑊
̇ 𝑡
=
𝑚
̇ (ℎ2𝑟 − ℎ𝑏)
𝑚
̇ (ℎ2 − ℎ𝑏)
ℎ2𝑟 = ℎ𝑏 + 𝜂𝑡2(ℎ2 − ℎ𝑏) = 3237.72 + 0.92(2726.2 − 3237.72)
ℎ2𝑟 = 2767.12 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Estado 3:
 liquido saturado a P3 = 0.075bar
Según tabla A-3 con una presión de 0.075 bar tenemos los siguientes valores:
 ℎ3 =
168.2925𝐾𝐽
𝑘𝑔
𝑣3 = 1.0079 x 10−3
𝑚3
/𝑘𝑔
Estado 4:
ℎ4 = ℎ3 + 𝑣3(𝑃4 − 𝑃3)
ℎ4 = 168.2925
𝐾𝐽
𝑘𝑔
+ 1.0079 x 10−3
𝑚3
𝑘𝑔
(30 − 0.075)𝑏𝑎𝑟 (
105
𝑁/𝑚2
1𝑏𝑎𝑟
)(
𝐾𝐽
103𝑁. 𝑚
)
ℎ4 = 171.3086 𝐾𝐽/𝑘𝑔
Calculamos la entalpia específica a la salida de la bomba, estado 4r, se aplicando la
ecuación de la eficiencia de la bomba.
𝜂𝐵 =
𝑊
̇ 𝐵
(𝑊
̇ 𝐵)
𝑟
=
𝑚
̇ (ℎ4 − ℎ3)
𝑚
̇ (ℎ4𝑟 − ℎ3)
ℎ4𝑟 = ℎ3 +
(ℎ4 − ℎ3)
𝜂𝐵
= 168.2925 +
(171.3086 − 168.2925)
0.88
= 171.72 𝑘𝐽/𝑘𝑔

9. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
A) Esquema y diagrama T-s

10. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
B) El calor transferido ideal al fluido de trabajo a su paso por el
generador de vapor, en kW.
 𝑚
̇ = 79.5 𝑘𝑔/𝑠𝑒𝑔
𝑄̇𝑒, 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑚
̇ (𝑄̇𝑒,41 + 𝑄̇𝑒,𝑎𝑏) = 𝑚
̇ {(ℎ1 − ℎ4) + (ℎ𝑏 − ℎ𝑎)}
𝑄̇𝑒, 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 79.5{(3230.9 − 171.3086) + (3237.72 − 2434.23)}
𝑄̇𝑒,𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 307114.9713𝐾𝑊
C) El calor transferido real al fluido de trabajo a su paso por el
generador de vapor, en kW.
𝑄̇𝑒, 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑚
̇ (𝑄̇𝑒,41 + 𝑄̇𝑒,𝑎𝑏)𝑟
= 𝑚
̇ {(ℎ1 − ℎ4𝑟) + (ℎ𝑏 − ℎ𝑎𝑟)}
𝑄̇𝑒, 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 79.5{(3230.9 − 171.72) + (3237.72 − 2497.96)}
𝑄̇𝑒,𝑟𝑒𝑎𝑙 = 302015.73 𝐾𝑊
D) La eficiencia térmica del ciclo ideal.
𝑛𝑡,𝑖 =
𝑚
̇ (𝑤̇ 𝑡,𝐴𝑃 + 𝑤̇ 𝑡,𝐵𝑃 + 𝑤̇ 𝐵)
𝑚
̇ (𝑄̇ 𝑒,41
+ 𝑄̇ 𝑒,𝑎𝑏
)
=
(ℎ1 − ℎ𝑎) + ( ℎ𝑏 − ℎ2) − ( ℎ4 − ℎ3
(ℎ1 − ℎ4) + (ℎ𝑏 − ℎ𝑎)
𝑛𝑡,𝑖 =
𝑤̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑖
𝑄̇𝑒,𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
=
103761.33 𝐾𝑊
307114.9713 𝐾𝑊
= 0.33786 = 33.8 %
E) La eficiencia térmica del ciclo real.
𝑛𝑡,𝑟 =
𝑚
̇ (𝑤
̇ 𝑡,𝐴𝑃 + 𝑤
̇ 𝑡,𝐵𝑃 + 𝑤
̇ 𝐵)𝑟
𝑚
̇ (𝑄̇ 𝑒,41
+ 𝑄̇ 𝑒,𝑎𝑏
)
𝑟
=
(ℎ1 − ℎ𝑎𝑟) + ( ℎ𝑏 − ℎ2𝑟) − ( ℎ4𝑟 − ℎ3)
(ℎ1 − ℎ4𝑟) + (ℎ𝑏 − ℎ𝑎𝑟)
𝑛𝑡,𝑟 =
𝑤̇ 𝑛𝑒𝑡𝑎,𝑟
𝑄̇𝑒, 𝑟𝑒𝑎𝑙
=
96226.243 𝐾𝑊
302015.73 𝐾𝑊
= 0.31861 = 31.9 %

11. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
F) Potencia neta del ciclo ideal, en kW.
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑖 = 𝑚
̇ (𝑤
̇ 𝑡,𝐴𝑃 + 𝑤
̇ 𝑡,𝐵𝑃 + 𝑤
̇ 𝐵)
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑖 = 𝑚
̇ {(ℎ1 − ℎ𝑎) + ( ℎ𝑏 − ℎ2) − ( ℎ4 − ℎ3)}
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑖 = 79.5{(3230.9 − 2434.23 ) + (3237.72 − 2726.2) − ( 171.3086 − 168.2925)}
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑖 = 103761.325 𝐾𝑊
G) Potencia neta del ciclo real, en kW.
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑟 = 𝑚
̇ (𝑤̇ 𝑡,𝐴𝑃 + 𝑤̇ 𝑡,𝐵𝑃 + 𝑤̇ 𝐵)𝑟
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑟 = 𝑚
̇ {(ℎ1 − ℎ𝑎𝑟) + ( ℎ𝑏 − ℎ2𝑟) − ( ℎ4𝑟 − ℎ3)}
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑟 = 79.5{(3230.9 − 2497.96 ) + (3237.72 − 2767.122) − (171.72 − 164.865)}
𝑤
̇ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜,𝑟 = 95136,3𝐾𝑊
H) Relación de trabajos ideal.
𝑟𝑤,𝑖 =
𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑊𝑡,𝐴𝑃 + 𝑊𝑡,𝐵𝑃
=
ℎ4 − ℎ3
(ℎ1 − ℎ𝑎) + ( ℎ𝑏 − ℎ2)
𝑟𝑤,𝑖 =
( 171.3086 − 168.2925)
(3230.9 − 2434.23 ) + (3237.72 − 2726.2)
= 2.31𝑥10−3
I) Relación de trabajos real.
𝑟𝑤,𝑟 =
𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎,𝑟
𝑊𝑡.𝐴𝑃,𝑟 + 𝑊𝑡.𝐵𝑃,𝑟
=
( ℎ4𝑟 − ℎ3)
(ℎ1 − ℎ𝑎𝑟) + ( ℎ𝑏 − ℎ2𝑟)
(171.72 − 168.2925)
(3230.9 − 2497.96 ) + (3237.72 − 2767.122)
= 2.85𝑥10−3

12. UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN
J) Con sus propias palabras redactar las conclusiones de los cálculos
realizados.
Debido a las irreversibilidades presentes, el trabajo real, el calor transferido real y la
potencia del ciclo real es menor con respecto al ciclo ideal.
Después de realizar los cálculos, concluimos que el sobrecalentamiento y
recalentamiento aumenta el rendimiento térmico del ciclo.
El recalentamiento ayuda a reducir el problema de la humedad excesiva en las
turbinas.