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Fundamento termodinmico de maquina a vaporMquina de vaporFue el primer motor trmico utilizado con aplicacin prctica, gracias al cual se hizo posible la llamada Revolucin Industrial. Las aplicaciones que han perdurado han sido la locomotora, junto con los barcos de vapor.

En la actualidad, se fabrican mquinas de vapor para servicios auxiliares y educacionales, aunque su importancia es testimonial. Si bien, en sus comienzos, se emple, adems de lo citado anteriormente, en coches, para mover maquinaria industrial, camiones, autobuses... En la actualidad la mquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor elctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustin interna en el transporte. El rendimiento de las mquinas de vapor es pobre, del orden del 30%, principalmente por las prdidas que se producen en el escape.

Ciclos de Vapor

Los ciclos de vapor los podemos dividir entre ciclos de vapor abiertos y ciclos de vapor cerrados.

Ciclo Abierto: Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las tpicas mquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomviles y muchas mquinas estacionarias en los inicios de la revolucin industrial).

El ciclo opera de la siguiente forma: un depsito contiene agua para la caldera(1). La bomba toma el agua del depsito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presin desde la presin atmosfrica hasta la presin de la caldera).En la caldera (donde se le entrega el calorQ), el agua ebulle, formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado. Luego el vapor (a presin) es conducido almotordonde de expande, produciendo el trabajoW.El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que est a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100C.

En diagramap-V, el ciclo se describe como:En (1) el agua del depsito es lquido subsaturado. Labombaaumenta su presin hasta es estado (2). Como lo que se comprime es solo lquido, elvolumende (2) es ligeramente inferior al de (1). Luego esta agua a presin se inyecta en la caldera. All alcanza primero el estado de saturacin (interseccin de lnea2-3con campana de cambio de fase) y luego comienza laebullicindentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presin constante. El vaporsalede la caldera en el estado (3), comovapor saturadoLuego seexpandeen lamquina(motor) generando trabajo y es expulsado a la atmsfera. Por lo tanto lamquinaopera entre la presinpcaldypatm, las que tienen asociadas la temperatura de ebullicin del vapor en la caldera y la temperatura de condensacin del agua en la atmsfera (100C)

Lquido subsaturado:en este caso al agregar energa al lquido, esto se traduce en un aumento de temperatura. La energa agregada produce un cambio de temperatura y es un aporte decalor sensibleEn diagramaT-Sel ciclo abierto se describe como sigue: El agua est inicialmente aTamby en estado lquido (1), luego labombalo comprime hasta el estado (2). En teora esta compresin esisentrpica, en realidad la entropa aumenta un poco. En todo caso, los estados (1) y (2) estn muy cercas (la temperatura apenas sube). Al inyectarse el agua a presin a lacaldera, laentropaaumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. Luego comienza laebullicindel agua en la caldera (desde la interseccin con la campana de cambio de fase hasta el estado3). En (3) el vapor seexpandeen elmotor, generando el trabajoW. Esta expansin en teora es isentrpica. El vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presin ambiente y temperatura de 100C. Luego este vapor condensa en la atmsfera a 100C y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.

Proceso Isentrpica: es aquel en el que la entropa delfluidoque forma el sistema permanece constante.

Para efectos de comparacin, el diagrama anterior loinscribimosen suCiclo de CarnotCorrespondiente(las dos isotrmicas y dos isentrpicas que lo inscriben). Este ciclo tiene como temperatura inferior (de fuente fra) latemperatura ambientey como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las reas en verde indican la prdida que hay con respecto al potencial, la cual es muy elevada. Es por esto que los ciclos abiertos fueron rpidamente reemplazados con ciclos concondensador(o ciclo deRankine), pues el rendimiento es muy superior. Se limitaron a mquinas mviles (locomotoras o locomviles), donde no es prctico instalar un condensador. Incluso en los barcos a vapor se tena condensador, pues el agua de mar era excelente medio para enfriarlo.

Ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se introduce elcondensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fra y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble: Desde el punto de vista netamente termodinmico,bajamosla temperatura de la fuente fra, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.Desde el punto de vistamecnico, lapresinen el condensador es muy inferior a la atmosfrica, lo que hace que lamquinaopere con unsaltode presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.La principal diferencia entre un ciclo de vapor abierto y uno de Rankine es elcondensador. Esta mejora la introdujo James Watt hacia fines del Siglo XVIII. Labombarecolecta condensado a baja presin y temperatura. Tpicamente una presin menor a la atmosfrica, estado (3) y comprime el agua hasta la presin de lacaldera(4). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturacin en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturacin y luego se inicia la ebullicin del lquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y luego se conduce el vapor alexpansor.En este ejemplo el expansor es unaturbina. All se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presin asociada a la temperatura de condensacin (2). El vapor que descarga la mquina entra alcondensadordonde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que estn refrigerados en su interior (tpicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (3) prcticamente como lquido saturado. All labombacomprime el condensado y se repite el ciclo.

En diagramap-V, el ciclo se describe como sigue: En (1) la caldera entrega vaporsaturado, el que se transporta a laturbina. All el vapor se expande entre la presin de la caldera y la presin del condensador, produciendo el trabajoW. Laturbinadescarga el vapor en el estado (2). Este vapor es admitido alcondensador. Aqu se condensa a presin y temperatura constante, evolucin (2)-(3), y del condensador se extraelquido condensado, en el estado (3). Luego labomba aumenta la presin del condensado depcondapcald, evolucin (3)-(4) y reinyecta el condensado en la caldera.Por lo tanto lamquinaopera entre la presinpcaldypcond, las que tienen asociadas la temperatura de ebullicin del vapor en la caldera y la temperatura de condensacin del agua en el condensador. Esta ltima presin es inferior a la presin atmosfrica.

En diagramaT-Sel ciclo Rankine se describe como sigue: El vapor est inicialmente como vapor saturado (1), luego el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolucin (1)-(2). Esta evolucin se puede suponer adiabtica. Si adems se supone sin roce, se asimilar a una isentrpica. Si hubiera roce, la entropa.El vapor que descarga laturbinaes admitido alcondensador, donde condensa totalmente a temperatura y presin constantes, evolucin (2)-(3). Sale del condensadoren el estado (3) como lquido saturado.Ahora el condensado es comprimido por labomba, evolucin (3)-(4), aumentando su presin hasta la presin de la caldera. Si bien la presin aumenta en forma significativa, la temperatura casi no sube. Idealmente esta compresin tambin es adiabtica e isentrpica, aunque realmente la entropa tambin aumenta. En el estado (4) el lquido est como lquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropa, hasta alcanzar la saturacin. All comienza la ebullicin. Todo el proceso (4)-(1) ocurre dentro de la caldera. Incluimos el punto4'que es cuando se alcanza la saturacin, pero solo para efectos ilustrativos.

proceso adiabtico:a aquel en el cual elsistema termodinmico (generalmente, unfluido que realiza untrabajo) no intercambiacalorcon su entornoComparemos este ciclo de Rankine con suCiclo de CarnotCorrespondiente(las dos isotrmicas y dos isentrpicas que lo inscriben). Este ciclo tendr como temperatura inferior (de fuente fra) latemperatura del condensador(normalmente ligeramente superior a la ambiente) y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las reas en verde indican la prdida que hay con respecto al potencial. En este caso vemos que la principal irreversibilidad termodinmica ocurre por la inyeccin de agua por debajo de la saturacin a la caldera. El ciclo de Carnot correspondiente a este ciclo de Rankine se ilustra en la figura adjunta. Podemos ver que el ciclo de Rankine se aproxima mucho al ciclo de Carnot. Solamente se pierde el rea en verde. Esto corresponde a la irreversibilidad de inyectar y mezclar agua fra con la caliente en la caldera.Esto hace que el ciclo deRankinese acerca mucho al ciclo de Carnot terico. Por lo tanto es un ciclo muy conveniente desde el punto de vista termodinmico.

De la comparacin de estos dos ciclos (ciclo devapor abiertoy ciclo deRankine), es evidente que es ms conveniente utilizar siempre que sea posible el ciclo de Rankine.Sin embargo, existe otra irreversibilidad termodinmica ms importante an. Adems el ciclo de Rankine tiene el inconveniente de que el vapor sale bastante hmedo de la mquina. Ambos problemas se tienden a solucionar con el ciclo deHirn, o (como tambin se le conoce), ciclo deRankine con sobrecalentamiento.