EL CICLO DE VAPOR DE CARNOTEl ciclo de Carnot es el ms eficiente de los ciclos que operan entre dos lmites especificados de temperatura. As, es natural considerar primero a este ciclo como un prospecto de ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor. Si fueraposible, se adoptara como el ciclo ideal. Sin embargo, como se explica a continuacin el ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el anlisis se a considerado al vapor como el fluido de traba!o, "a que su uso predomina en los ciclos de potencia de vapor.Considere un ciclo de Carnot de flu!o estacionario e!ecutado dentro de la curva de saturacin de una sustancia pura, como se muestra en la #figura $%&$a'. El fluido se calienta de manera reversible e isotrmicamente en una caldera #proceso $&(') se expande isentrpicamente en una turbina #proceso (&*') se condensa reversible e isotrmicamente en un condensador #proceso *&+', " se comprime de manera isentrpica mediante un compresor asta su estado inicial #proceso +&$'.Con este ciclo se asocian varias situaciones imprcticas,1. -a transferencia isotrmica de calor acia o desde un sistema de dos fases no es difcil de alcan.ar en la prctica, porque una presin constante en el dispositivo fi!a automticamente la temperatura en el valor de saturacin./or consiguiente, los procesos $&( " *&+ pueden aproximarse bastante a los de las calderas " los condensadores reales. Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura mxima que puede utili.arse en el ciclo #tiene que permanecer deba!o del valor del punto crtico, el cual es de *0+ 1C para el agua'. 2estringir la temperatura mxima en el ciclo limita tambin la eficiencia trmica.Cualquier intento por elevar la temperatura mxima en el ciclo implica la transferencia de calor acia el fluido de traba!o en una sola fase, lo que no es fcil de reali.ar de modo isotrmico.(. El proceso de expansin isentrpica #proceso (&*' puede aproximarse bastante median te una turbina bien dise3a da. Sin embargo, la calidad del vapor disminu"e durante este proceso, como se observa en el diagrama #4&s dela figura $%&$a'. /or lo tanto, la turbina tiene que mane!ar vapor con ba!a calidad, es decir, vapor con un alto contenido de umedad. El coque de gotas lquidas sobre los labes de la turbina produce erosin " es una de las principales fuentes de desgaste. As, el vapor con calidades menores a 5% por ciento no puede ser tolerado en la operacin de centrales elctricas. Este problema podra eliminase utili.ando un fluido de traba!o con una lnea mu" inclinada de vapor saturado.*. El proceso de compresin isentrpica #proceso +&$' implica la compresin deuna me.cla de lquido " vapor asta un lquido saturado. 6a" dos dificultades asociadas con este proceso, primero, no es fcil controlar el proceso de condensacin de manera tan precisa como para obtener finalmente la calidad deseada en el estado +) " segundo, no es prctico dise3ar un compresor que mane!e dos fases.Algunos de estos problemas pueden eliminarse al e!ecutar el ciclo de Carnot demanera diferente, como se muestra en la figura $%&$b'. Sin embargo, este ciclo presenta otros problemas, como la compresin isentrpica a presiones extremadamente altas " la transferencia isotrmica de calor a presiones variables. /or lo tanto con cluimos que el ciclo de Carnot no puede lograrse en los dispositivos reales " no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor.E- C7C-8 9E CA2:84 ; S< =A-82 E: 7:>E:7E2?AEl ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos totalmente reversibles, adicin de calor isotrmica, expansin isentrpica, reca.o de calor isotrmico"compresin isentrpica. -os diagramas /&v " 4&s de un ciclo de Carnot se vuelven a graficar en la figura 5&@. El ciclo de Carnot puede ser e!ecutado en unsistema cerrado #un dispositivo de cilindro&mbolo' o en un sistema de flu!o estacionario #usando dos turbinas " dos compresores, como se muestra en la figura 5&0', " puede emplearse gas o vapor como el fluido de traba!o. El ciclo deCarnot es el ciclo ms eficiente que puede e!ecutarse entre una fuente deEnerga trmica a temperatura TH " un sumidero a temperatura TL, " su eficiencia trmica se expresa como.-a transferencia de calor isotrmica reversible es mu" difcil de lograr en la prctica porque requerira intercambiadores de calor mu" grandes " necesitaramuco tiempo #un ciclo de potencia en una mquina comAn se completa en una fraccin de un segundo'. /or lo tanto, no es prctico construir una mquinaque opere en un ciclo que se aproxima en gran medida al de Carnot.El verdadero valor del ciclo de Carnot reside en que es el estndar contra el cual pueden compararse ciclos reales o ideales. -a eficiencia trmica de un ciclo de Carnot es una funcin de las temperaturas del sumidero " de la fuente, " la relacin de la eficiencia trmica para este ciclo #Ec. 5&(' transmite un importante mensa!e que es igualmente aplicable a ciclos ideales reales, la eficiencia trmica aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual se suministra calor acia el sistema o con una disminucin en la temperatura promedio a la cual el calor se reca.a del sistema. Sin embargo, las temperaturas de la fuente " el sumidero que pueden emplearse en la prctica tienen lmites. -a temperatura ms alta en el ciclo es limitada por la temperatura mxima que pueden soportar los componentes de la mquina trmica, como el mbolo o los labes de la turbina. -a temperatura ms ba!a est limitada por la temperatura del medio de enfriamiento utili.ado en el ciclo, como un lago, un ro o el aire atmosfrico.E- C7C-8 2A:B7:E 79EA-C8: 2ECA-E:4AC7E:48En la Altima seccin se mencion que el aumento en la presin de la caldera incrementa la eficiencia trmica del ciclo 2anDine, pero que tambin incrementael contenido de umedad del vapor a niveles inaceptables. Entonces, es naturalformular la siguiente pregunta,ECmo podemos aprovecar las ma"ores eficiencias a presiones ms altas de la caldera sin tener que enfrentar el problema de umedad excesiva en las etapas finales de la turbinaFSe puede pensar en dos posibilidades,$. Sobrecalentar el vapor a temperaturas mu" altas antes de que entre a la turbina. Gsta sera la solucin deseable porque la temperatura promedio a la que se a3ade calor tambin se incrementara, lo cual aumentara la eficiencia del ciclo. Sin embargo, no es una solucin viable "a que requiere elevar la temperatura del vapor asta niveles metalArgicamente inseguros.(. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas " recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo 2anDine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solucin prctica al problema de umedad excesiva en turbinas " es comAnmente utili.ada en modernas centrales elctricas de vapor.El diagrama 4&s del ciclo 2anDine ideal con recalentamiento " el esquema de lacentral elctrica que opera en este ciclo se muestran en la figura $%&$$.El ciclo 2anDine ideal con recalentamiento difiere del ciclo 2anDine ideal simpleen que el proceso de expansin sucede en dos etapas. En la primera #la turtrbina de alta presin', el vapor se expande isentrpicamente asta una presin intermedia " regresa a la caldera donde se recalienta a presin constante, por lo general asta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa.9espus, el vapor se expande isentrpicamente en la segunda etapa #turbina de ba!a presin' asta la presin del condensador. 9e modo que la entra da de calor total " la salida total de traba!o de la turbina en un ciclo de recalentamiento viene a serqentrada_ qprimario _ qrecalentamiento_ 1h3 _ h2 2 _ 1h5 _ h4 2 (10-12)wturbina,salida_ wturbina,I _ wturbina,II _ 1h3 _ h4 2 _ 1h5 _ h6 2 (10-13)-a incorporacin de un recalentamiento simple en una central elctrica moderna me!ora la eficiencia del ciclo en + o H por ciento, "a que se incrementala temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al vapor. -a temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse aumentando el nAmero de etapas de expansin " recalentamiento. Cuando se ace esto, los procesos de expansin " recalentamiento se acercan a un proceso isotrmico a la temperatura mxima, como se muestra en la figura $%&$(. Sin embargo, el uso de ms de dos etapas de recalentamiento no es prctico. El me!oramiento terico en la eficiencia debido al segundo recalentamiento es cerca no a la mitad del me!oramiento debido a un solo recalentamiento. Si la presin de entrada de la turbina no es lo suficientemente alta, el doble recalentamiento resulta en un escape sobrecalentado. Esto es indeseable porque causara que la temperatura promedio para el reca.o de calor aumente " de esta manera la eficiencia del ciclo disminu"a. /or lo tanto, el doble recalentamiento se utili.a solamente en centrales elctricas de presin supercrtica #/ I ((.%@ C/a'.