Máquinas y Equipos Térmicos II

Unidad 1- Ciclos de vapor

1.1 Ciclo Rankine

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase.

• En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo.
• El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima.
• La expansión del proceso 3-4 se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador.
• El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo.

Eficiencia

El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

Fuentes:

https://albarracinnataly.wordpress.com/tercer-corte/procesos-termodinamicos/ciclo-rankine/

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html

1.2 Ciclo Hirn

El ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Esto lo vemos ilustrado en la siguiente figura que muestra en detalle el proceso en diagrama de bloques, p-V.

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con título x=1). Luego se tiene el proceso (1)-(2) en que el vapor se sobrecalentado a presión constante. Sale en el estado (2) y allí entra a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador [proceso (2)-(3)], produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (3). Este es vapor con título x<1, pero más seco que en el ciclo de Rankine, es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (3)-(4), y del condensador se extrae líquido condensado con título x=0, en el estado (4). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de Pcond a Pcald , evolución (4)-(5) y reinyecta el condensado en la caldera.

Eficiencia

Acciones que se pueden tomar para mejorar la eficiencia

• Aumento de la presión de saturación
• Aumento de la temperatura de sobrecalentado
• Descenso de la temperatura de la fuente fría
• Precalentamiento de agua de alimentación (ciclo regenerativo)
• Recalentamiento de vapor
• Precalentamiento de agua de alimentación
• Precalentamiento del aire de combustión

Fuentes:

https://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-hirn.htm

http://materias.fi.uba.ar/6517/Teoricas/Turbinas_a_Vapor/Ciclos%20a%20vapor.pdf

1.3 Ciclo Carnot

Ciclo termodinámico hipotético utilizado como norma para establecer comparaciones con ciclos reales. Con el ciclo de Carnot se muestra que, aun en condiciones ideales, una máquina térmica no puede convertir toda la energía calorífica que se le suministra en energía mecánica; tiene que rechazar parte de esa energía.

El ciclo de Carnot consiste, primero, en una compresión isoentrópica, luego, en una adición isotérmica de calor, seguida de una expansión isoentrópica, y concluye con un proceso isotérmico de rechazo de calor. En pocas palabras, los procesos son compresión, adición de calor, expansión y descarga del calor, todo en una forma establecida y definida. El efecto neto del ciclo es que se agrega calor a una alta temperatura constante, se descarga algo menos de calor a una temperatura baja constante, y la suma algebraica de estas cantidades de calor es igual al trabajo efectuado por el ciclo.

Un ciclo de Carnot consta, en su totalidad, de procesos reversibles; así, en teoría, puede aplicarse para extraer el calor de un cuerpo frío y descargarlo a un cuerpo caliente.

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

Eficiencia El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:    y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Fuentes: https://www.ecured.cu/Ciclo_de_Carnot http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm Unidad 2 - Motores de combustión interna Introducción Los motores de combustión interna han mejorado en muchos aspectos con el pasar del tiempo , el rendimiento de los motores ha evolucionado desde el orden del 10% que alcanzaban los primeros motores, hasta el 35% o 40% que se alcanzan hoy en día. El rendimiento de los motores no es el único aspecto que se ha mejorado, sino que a base de nuevas tecnologías aplicadas, diversas aplicaciones electrónicas, mejorías en los combustibles, materiales más ligeros y resistentes, etc., se han conseguido potencias mucho mayores en estos motores térmicos. El siguiente texto es un breve resumen en el que se incluyen algunos de los principales motores y máquinas térmicas de este tipo. 2.1 Clasificación de los motores de combustión interna Según el método de trabajo: • Motor de cuatro tiempos: dos vueltas del cigüeñal, cuatro carreras de pistón, una del árbol de levas, un ciclo de trabajo. • Motor de dos tiempos: una vuelta del cigüeñal, dos carreras del pistón, un ciclo de trabajo. Por disposición de los cilindros: • Motores con cilindros en línea: tiene cilindros dispuestos en línea de forma vertical en un solo bloque. • Motores con cilindros en V: tiene los cilindros repartido en dos bloques unidos por la base o bancada, y formando un cierto ángulo (60°,90°, etc.). • Motores con cilindros opuestos: los cilindros van dispuestos en un ángulo de 180° en posición horizontal y en sentido opuesto; y están unidos por la base o bancada. Por la distribución o disposición de las válvulas: • SV: no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque del motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada. • OHV: se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvulas dispuestas en la culata. • OHC: se distingue por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas. • DOHC: utilizado sobre todo en motores con 3,4 y 5 válvulas por cilindro. Por el tipo de combustible: • Motores a gasolina: se alimentan de aire-combustible. • Motores a diesel: este se alimenta de aire precalentado y el combustible es inyectado a presión dentro del cilindro. • Motores a gas: los motores a gas contienen el mismo sistema que un motor a gasolina pero la explosión se genera con más fuerza y además la potencia disminuye un poco, otra diferencia es que las válvulas so construidas en sodio. • Motores poli combustibles: motores como los diesel, pero que pueden funcionar con diferentes tipos de combustibles. 2.2 Motor Otto El motor Otto es un tipo de motor térmico alternatico que funciona mediante el ciclo Otto. Se trata de un motor alternativo capaz de convertir la energía química del combustible en energía mecánica mediante una reacción termodinámica. El proceso se inicia con la mezcla homogénea de gasolina y aire fuera de la cámara de combustión en un elemento llamado carburador. La mezcla obtenida se hace llegar a dicha cámara, donde es comprimida. La combustión se inicia por un sistema de encendido externo al motor (bujía) de control temporizado. En el interior del cilindro se inflama y quema la mezcla de aire y gasolina. El calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases, previamente comprimidos originando un trabajo mecánico a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y son sustituidos por una nueva porción de mezcla tras cada carrera de combustión, todo ello se produce según el principio de los cuatro tiempos. A continuación se muestra el diagrama PV del ciclo Otto. 2.3 Motor Diesel El motor Diésel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Ésta es la llamada autoinflamación. A continuación se muestra el diagrama PV del ciclo Diesel ideal. 1-2 Compresión isentrópica 2-3 Adición de calor a volumen constante 3-4 Expansión isentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante 2.4 Sistemas auxiliares (Sistema de encendido, Sistema de inyección, sistema de lubricación, sistema de enfriamiento) Sistema de encendido: La finalidad del sistema de encendido es encender la mezcla comprimida de aire y combustible de las cámaras de combustión del motor. Esto debe ocurrir en momento correcto para que se inicie la combustión, el sistema de encendido entrega una chispa eléctrica que salta un espacio en los extremos dé los electrodos de las bujías, que sobresalen dentro de las cámaras de combustión. Sistema de inyección: La inyección de combustible es un sistema de alimentación de motores de combustión interna, que reemplaza al carburador en los motores de explosión. El sistema de alimentación de combustible y formación de la mezcla complementa en los motores Otto al sistema de Encendido del motor, que es el que se encarga de desencadenar la combustión de la mezcla aire/combustible. Este sistema es utilizado, obligatoriamente, en el ciclo del diésel desde siempre, puesto que el combustible tiene que ser inyectado dentro de la cámara en el momento de la combustión. Sistema de lubricación: El uso de la lubricación en un motor hace parte del buen funcionamiento del mismo, la función principal de este sistema es evitar el desgaste excesivo de los componentes móviles.Los cuales se encuentran en constante contacto y movimiento. Sistema de enfriamiento: El sistema de enfriamiento mantiene el motora su temperatura más eficiente, en todas las velocidades y condiciones de operación. Al quemarse el combustible en el motor se produce calor, parte del cual debe ser eliminado antes que dañe las partes del motor. Esta es una de las tareas que lleva a cabo el sistema de enfriamiento. También ayuda a poner al motor a la temperatura de operación normal tan rápido como sea posible. 2.5 Motores de propulsión a chorro Los motores de propulsión a chorro o de reacción son aquellos motores en los que la propulsión se realiza mediante la reacción de una masa de gases, procedentes de unas cámaras de combustión, que salen al exterior en sentido contrario a la marcha del avión animados de una gran velocidad. Toda clase de propulsión que podamos imaginar ha de realizarse por reacción, es decir, como aplicación del teorema fundamental de la conservación de la cantidad de movimiento. La diferencia fundamental entre un grupo moto-propulsor ordinario, con motor de cilindros y hélice, y un motor de reacción, es que, en el primero, los gases procedentes de la combustión tienen como misión mover un mecanismo propulsor (hélice), y éste, a su vez, lanzando hacia atrás una masa de aire, produce la necesaria reacción para el movimiento de avance; mientras que en los motores de reacción, los gases, procedentes de las cámaras de combustión, son lanzados al exterior, provocando ellos mismos la reacción o tracción de avance. 2.6 Turbina de gas El principio de operación en una turbina de gas se describe a continuación: El aire entra al compresor donde se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el combustible y ocurre la combustión. Los gases calientes se expanden hasta presión atmosférica y producen trabajo en la turbina. El compresor opera con una parte de la energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un 65%), y la energía restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina. Un generador eléctrico se conecta al eje de la turbina y produce electricidad. El calor de los gases de combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG. Las características de operación de las turbinas de gas dependen de las condiciones del aire ambiental, la calidad del combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyección de agua y la altitud principalmente. A continuación se presentan los diagramas TS y PV del ciclo Brayton que se utiliza actualmente en turbinas de gas. 1-2 Compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presión constante 2.7 Rendimientos, potencia y selección Se entiende por rendimiento de un motor al trabajo realizado por cada unidad de energía consumida. Si el trabajo realizado por el motor (generación de movimiento) fuese igual a la energía química del combustible utilizado para producirlo, la eficiencia de ese supuesto motor sería de un 100% (eficiencia perfecta). Obviamente, ningún proceso puede tener una eficiencia superior al 100% porque eso sería tanto como decir que se estaría creando energía nueva. El primer principio de la termodinámica (conservación de la energía) niega esta posibilidad. Por otro lado, cuando el trabajo realizado es menor que la energía consumida, la pérdida o diferencia entre ambos valores se transforma en calor, que podemos considerar como energía inútil y por lo tanto perdida. Para la selección de un motor de combustión interna o cualquier máquina térmica debe tomarse en cuenta principalmente para que tipo de trabajo se usara y el entorno y condiciones en las que estará trabajando. Conclusiones: Los motores de combustión interna son un tipo de máquinas térmicas ampliamente utilizadas hoy en día y aunque son máquinas que fueron inventadas hace mucho, con el paso del tiempo se han ido mejorando, logrando así que proporcionen un mejor rendimiento y durabilidad. El proceso de funcionamiento de las máquinas de este tipo es muy similar pues todos utilizan la combustión interna como medio para producir energía, principalmente calorífica y mecánica. Bibliografía: http://maquinasyequipostermicoshectorduran.blogspot.com/2017/09/motores-de-combustion-interna.html http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto#Rendimiento https://demotor.net/motores-termicos/motor-otto http://ria.utn.edu.ar/bitstream/handle/123456789/2501/Alimentaci%C3%B3n%20de%20motores%20de%20combusti%C3%B3n%20interna%2C%20sistemas%20de%20inyecci%C3%B3n%20de%20motores.pdf?sequence=1&isAllowed=y Unidad 3 - Ciclo de Gas Introducción El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por él alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto, sin embargo, puede modelarse como un ciclo cerrado empleando las suposiciones de aire estándar. 3.1 Ciclo Brayton ideal El Ciclo Brayton es un proceso cíclico asociado generalmente a una turbina a gas. Al igual que otros ciclos de potencia de combustión interna, el ciclo Brayton es un sistema abierto, aunque para un análisis termodinámico es conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el análisis como sistema cerrado. Un motor Brayton está compuesto por tres componentes: • Un compresor • Un quemador (o cámara de combustión) • Una turbina Las etapas del ciclo se describen a continuación 1-2 Compresión isentrópica del aire que se introduce a la cámara de combustión del motor. 2-3 Combustión a presión constante del combustible inyectado en la cámara de combustión. 3-4 Expansión isentrópica en la sección de la turbina. Ésta es la parte del ciclo que hace el trabajo positivo. 4-1 Calor a presión constante es evacuado en el aire. 3.2 Ciclo Brayton real Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor. Si se desea examinar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido al pasar por la turbina deben pasar por un intercambiador de calor, en el que se desecha calor del gas hasta que se alcanza la temperatura inicial. Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo Brayton ideal por varias razones. Por un lado, alguna disminución de presión durante los procesos de adición y rechazo de calor es inevitable. Más importante aún es que la entrada de trabajo real al compresor será mayor y la salida de trabajo real de la turbina será menor debido a irreversibilidades. 3.3 Ciclo Brayton con regeneración La regeneración conviene solo cuando la relación de presión en la expansión es baja, ya que de esta manera se puede asegurar que el calor máximo estará dado por la corriente que en un ciclo simple se desprende hacia el ambiente, este calor máximo se aprovecha para precalentar el aire que va a entrar a la cámara de combustión, significando esto un ahorro energético significativo. Para el ciclo Brayton, la temperatura de salida de la turbina es mayor que la temperatura de salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor puede ser colocado entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida de los gases fríos que salen del compresor. Este intercambiador de calor es conocido como regenerador o recuperador. 3.4 Ciclo Brayton con interenfriamiento El interenfriamiento es casi siempre utilizado con regeneración. Durante el interenfriamiento la temperatura de salida del compresor es reducida; en consecuencia, más calor debe ser suplido en el proceso de adición de calor para alcanzar la temperatura máxima del ciclo. La regeneración puede reponer parte de la transferencia de calor necesitada. Cuando se emplea la compresión en múltiples etapas, enfriar el fluido de trabajo entre etapas reduce la cantidad de trabajo requerido por el compresor. El trabajo del compresor es reducido por que el enfriamiento del fluido de trabajo reduce el volumen específico promedio del fluido y por lo tanto reduce la cantidad de trabajo en el fluido para alcanzar el aumento de presión dado. 3.5 Ciclo Brayton con recalentamiento La salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles de presión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre éstas; es decir, si se utiliza expansión de múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin que se eleve la temperatura máxima en el ciclo. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de expansión se vuelve isotérmico. La combustión en las turbinas de gas ocurre comúnmente con cuatro veces la cantidad requerida de aire para la completa combustión, para evitar temperaturas excesivas. Por lo tanto, los gases de escape son ricos en oxígeno y el recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos estados de expansión. 3.6 Eficiencia La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal bajo las suposiciones de aire frió estándar esta dada por: o también: Conclusión El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y además es la base del principio de funcionamiento de las turbinas de gas hoy en día. Este tiene como función principal transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, además tiene varias aplicaciones actualmente, principalmente en la propulsión de aviones, y la generación de energía eléctrica. Para su análisis termodinámico este puede ser modelado como un ciclo abierto o cerrado y de esta forma facilitar su entendimiento. Existen varias formas de mejorar su rendimiento, pero siempre se debe tener mucho cuidado en examinar si realmente vale la pena hacer cambios y/o cuales son los cambios más prudentes que se pueden y/o deben hacer. Bibliografía: Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. (2012). Termodinámica. Séptima Edición. Editorial Mc Graw Hill. W.H. Severns, H.E. Degler, J.C. Miles. (1982). La Producción de Energía Mediante el Vapor de Agua, El Aire y Los Gases. Quinta Edición. Editorial Reverte. Milán Salgado J.F. Ciclo de Potencia de Gas. (2017). Recuperado de: http://maquinasyequipostermicos02.blogspot.com/2017/10/ciclo-de-potencia-de-gas.html Sánchez F. Ciclo Brayton. (2015). Recuperado de: https://es.slideshare.net/fabriciosanchez758/250377343-ciclobrayton Turbina de Gas – Ciclo Brayton y Otros. (s.f.). Recuperado de: http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad9.PDF Guanipa Rodríguez G. Guía de Estudio N° 4 Ciclo Brayton. (2009). Recuperado de: https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/guia-tema-41.pdf