I Capitulo V (Ciclos de Fueza).pptx

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Capitulo VCiclos de Fuerza

Contenido del Capitulo V:

A. Ciclo Rankine Simple. Sobrecalentamiento

- Efciencia y Rata CalorifcaB. Ciclo Rankine Regenerativo

C. Ciclo Regenerativo Real. Efciencia de la urbina

!. Ciclo Brayton con Regeneraci"n y En#riamiento


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A. Ciclo Rankine Simple.Sobrecalentamiento:

En este capítulo veremos los ciclos de fuerza de vapor en los que eluido de trabao se evapora ! condensa alternadamente. "a ma!orparte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos# ! elestudio de los ciclos de potencia es una parte importante de la

termodin$mica. El vapor de a%ua es el uido de trabao usado m$scom&nmente en ciclos de potencia de vapor debido a sus muc'as !atractivas características# como bao costo# disponibilidad ! altaentalpía de vaporizaci(n.


Cuando el vapor es sobrecalentado

en la caldera ! condensado porcompleto en el condensador# resultael Ciclo Rankine. Este ciclo es idealpara centrales de vapor cu!oobetivo )nal es producir ener%íael*ctrica.


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Ciclo Rankine Simple:


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"os cuatro componentes asociados con el ciclo Rankine +la bomba# lacaldera# la turbina ! el condensador, pueden ser analizados comoprocesos de uo estacionario. -or lo %eneral# los cambios en la ener%íacin*tica ! potencial del vapor son pequeos en relaci(n con lost*rminos de trabao ! de transferencia de calor# de manera que son

insi%ni)cantes. Entonces$ la ecuaci"n de energ%a de &u'o estacionario por unidad de masa de vapor se reduce a:


"a caldera ! el condensador no inclu!en nin%&n trabao ! se supone

que la bomba ! la turbina son isentr(picas# entonces la relaci(n deconservaci(n de la ener%ía para cada dispositivo puede e/presarsecomo:.


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Efciencia y Rata Calorífca:"a e)ciencia de conversi(n de las centrales el*ctricas estadounidenses see/presa a menudo en t*rminos de la tasa t*rmica# que es la cantidad en0tu de calor suministrada para %enerar 1 k2' de electricidad. Cuantomenor es la tasa t*rmica# m$s %rande ser$ la e)ciencia. Si se considera

que 1 k2' 3 4 516 0tu# ! sin tomar en cuenta las p*rdidas asociadas conla conversi(n de potencia en el ee a potencia el*ctrica# la relaci(n entrela tasa t*rmica ! la e)ciencia t*rmica puede e/presarse como:


-or eemplo# una tasa t*rmica de 11 474 0tu8k2' es equivalente a unae)ciencia t*rmica de 49. "a e)ciencia t*rmica tambi*n puede interpretarsecomo la relaci(n entre el $rea encerrada por el ciclo en un dia%rama ;


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Se%&n se 'a analizados sabemos que el aumento en la presi(n de la calderaincrementa la e)ciencia t*rmica del ciclo Rankine# pero que tambi*n incrementael contenido de 'umedad del vapor a niveles inaceptables.

0. Ciclo Rankine Re%enerativo:

E/iste dos posibilidades=1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas mu! altas antes de que entre a la &nica turbina

e/istenteVE>;A?AS @ ESVE>;A?A:

Esto aumentaría la temperatura ( lo cual incrementaría el calor que se

aade al sistema# aumentando de esta forma la e)ciencia del ciclo# pero la

temperatura del vapor se tendría que elevar a niveles metal&r%icamenteinse%uros# convirti*ndola en una soluci(n no viable.

6. E/pandir el vapor en dos etapas mediante dos turbinas ! recalentarlo entre dos etapas.VE>;A?AS @ ESVE>;A?A:

El recalentamiento es una soluci(n al problema de 'umedad inaceptable enturbinas ! com&nmente utilizado 'o! día# sin embar%o si se tuvieramateriales m$s resistentes a las altas temperaturas no fuese necesario los

ciclos re%enerativos.


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El dia%rama ;


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C. Ciclo Re%enerativo Real. E)ciencia de las ;urbinas:

"a turbina de %as 'a e/perimentado un pro%reso ! un crecimientofenomenal desde su primer desarrollo e/itoso en la d*cada de 1B49.-ara 1B9 las turbinas solo tenían e)ciencias por alrededor del 1D#por lo que tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad. -arameorar la e)ciencia en la turbinas se concentraron en tres $reas:


1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (o de quemado).• Principal enfoque tomado para mejorar la eficiencia de la turbina de gas.• Las temperaturas de entrada de éstas han aumentado considerantemente, desde

unos 540 ° en la década de !"40, hasta ! 4#5 ° e incluso ma$or actualmente.

• Los incrementos fueron posibles gracias al desarrollo de nue%os materiales $ a lasinno%adoras técnicas de enfriamiento para componentes cr&ticos.

• 'tili(ar %apor de agua como refrigerante permiti) un aumento de las temperaturas de

entrada a la turbina, sin un incremento en la temperatura de combusti)n.


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2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomaquinaria.• *l desempe+o de las primeras turbinas sufr&a grandemente de las ineficiencias de

turbinas $ compresores.• on el desarrollo de nue%os softare, surgieron técnicas dise+o asistido por

computadora lo que hi(o posible dise+ar estos componentes aerodin-micamente

cu$as pérdidas son m&nimas.• Las eficiencias incrementadas de las turbinas $ compresores resultaron en un

aumento significati%o en la eficiencia del ciclo.

3. Adición de modificaciones al ciclo básico.• Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron pr-cticamente

duplicadas al incorporar interenfriamiento, regeneraci)n o recuperaci)n/ $

recalentamiento.• Los costos relati%amente bajos de los combustibles, el deseo general de la industria

para minimi(ar los costos de instalaci)n $ el tremendo aumento en la eficiencia del

ciclo simple a cerca de 40 por ciento, dej) pocos deseos de optar por estas

modificaciones.


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"as dos principales $reas de aplicaci(n de las turbinas de %as son lapropulsi(n de aviones ! la %eneraci(n de ener%ía el*ctrica.


Cuando se emplean en propulsión deaviones# la turbina de %as produce la potencia

su)ciente para accionar tanto al compresorcomo a un pequeo %enerador que a su vezacciona al equipo au/iliar. "os %ases de escapede alta velocidad son los responsables deproducir el empue necesario para impulsar laaeronave.

"as turbinas de %as tambi*n se utilizan comocentrales eléctricas estacionarias que producenener%ía el*ctrica como unidades independientes oen conunto con las centrales el*ctricas de vaporen el lado de alta temperatura.


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"as turbinas de %as %eneralmente operan en un ciclo abierto. Seintroduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor#donde su temperatura ! presi(n se elevan. El aire de alta presi(n si%ue'acia la c$mara de combusti(n# donde el combustible se quema apresi(n constante. "os %ases de alta temperatura entran a la turbina#donde se e/panden 'asta la presi(n atmosf*rica# produciendo

potencia. "os %ases de escape que salen de la turbina se e/pulsan'acia fuera +no se recirculan,# causando que el ciclo se clasi)que comoun ciclo abierto. El ciclo de turbina de %as abierto tambi*n puedemodelarse como un ciclo cerrado# tal como se muestra:



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Cuando los cambios en las ener%ías cin*tica ! potencialson insi%ni)cantes# el balance de ener%ía para unproceso de uo estacionario puede e/presarse# porunidad de masa# como:


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. Ciclo 0ra!ton con Re%eneraci(n !Enfriamiento:En las m$quinas de turbinas de %as la temperatura de los %ases deescape que salen de la turbina suele ser considerablemente ma!or quela del aire que sale del compresor. -or lo tanto# el aire de alta presi(nque sale del compresor puede calentarse trans)ri*ndole calor desdelos %ases de escape calientes mediante un intercambiador de calor acontrauo# el cual se conoce tambi*n como re%enerador orecuperador.


Características.• La eficiencia térmica del ciclo ra$ton aumenta como

resultado de la regeneraci)n.• 'n regenerador con una eficacia m-s alta ahorrar-

mas combustible porque precalentar- el aire a una

temperatura m-s ele%ada antes de la combusti)n.• La temperatura m-s alta que ocurre dentro del

regenerador es 14, que es la temperatura de los gases

de escape que salen de la turbina $ entran al

regenerador.• *l aire normalmente sale del regenerador a una

temperatura menor, 15. *n el caso l&mite ideal/, el aire

sale del regenerador a la temperatura de entrada de

los gases de escape 14.


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Si consideramos que el re%enerador est$ bien aislado ! que cualquiercambio en las ener%ías cin*tica ! potencial es insi%ni)cante# lastransferencias de calor reales ! m$/imas de los %ases de escape 'aciael aire pueden e/presarse como.

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