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Trabajo Potencia

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  Ciclos de Potencia Los componentes básicos de los ciclos de generación de potencia ya fueron vistos en el análisis de energía en sistemas abiertos. Por consiguiente en este tema profundizaremos en la comprensión y cálculo de su trabajo mediante la exposición de los distintos dispositivos por tipo de ciclo. La eficiencia de un ciclo en una maquina térmica, depende en gran medida de cómo se ejecutan los procesos individuales que integran el ciclo. El trabajo neto, por consiguiente la eficiencia del ciclo puede maximizarse al utilizar proceso que requieran la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor, es decir, empleando procesos reversibles. Por consiguiente no es un sorpresa que los ciclos mas eficientes sea ciclos reversibles, ciclos compuestos por completo de procesos reversibles. Los ciclos reversibles no pueden alcanzarse en la práctica debido a que las irreversibilidades asociadas con cada proceso no pueden eliminarse. Es conveniente recordar que en determinadas máquinas, la sustancia de trabajo no regresa a su estado srcinal. Una ilustración muy clara de esto es cualquier motor de gasolina o diesel. En la etapa final del ciclo los gases de la combustión salen por la válvula de escape. Entonces no se realiza el ciclo termodinámico propiamente dicho. Para los fines prácticos, la nueva inyección del fluido de trabajo se utiliza como el retorno al punto de partida. En esta sección nos apoyaremos en lo visto con anterioridad respecto a la eficiencia de las máquinas térmicas. Si se consideran máquinas térmicas operando entre dos depósitos de calor que tienen temperaturas T C  >T F , se pueden extraer dos conclusiones sobre las máquinas reversibles e irreversibles que se conocen como principios de Carnot: · La eficiencia de una máquina irreversible siempre será menor que la de la máquina reversible. · Dos máquinas operando entre depósitos de iguales T C  y T F  tendrán la misma eficiencia. Descripción de ciclos termodinámicos.  Para estudiar los ciclos de potencia es conveniente utilizar esquemas o diagramas de bloque y los diagrama P  –  V o T  –  S. Los esquemas nos ayudarán a visualizar los elementos físicos del proceso y las variaciones en el estado del fluido de trabajo. Los diagramas de P  –  V y T  –  S nos mostrarán los cambios en estas variables en cada parte del ciclo. Los diagramas T  –  S son particularmente útiles  para comprender los intercambios de calor, valorar irreversibilidades y comparar con los ciclos de Carnot correspondientes. Además el área encerrada dentro de un ciclo (o bajo la curva) representa el calor intercambiados con el exterior en el ciclo en cada parte del ciclo. Recordando el cálculo integral, esto se debe a que si la evolución es reversible, se cumple que dQ = T·dS.   Ciclo de Potencia a vapor Rankine. El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica).   El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río  o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional. La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2,   es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son: Reducción de la presión del condensador  : En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabesde la turbina. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija : Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina : se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión . Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Dino) (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador . Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.  Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera , aumentando su entalpía. El número de extracciones   no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan. CICLO DE OTTO. 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  CICLO DIESEL. 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/in 2 . 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 esta n dados por q.ent = cp(t3 - t2) y q.sal = cv(t4 - t1) en consecuencia h .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. 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
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