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• Jesus López

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1 ciclo de vapor 1.1 ciclo ranking

CICLO RANKINE El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. Los diagramas p-V en los que interviene un líquido que se vaporiza tienen una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase. A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales. A la derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales. En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Ésto es debido a que dada una presión, el calor que se le aporte al fluído no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación.

2 Con la introducción y la pequeña explicación del diagrama p-V para el cambio de fase, el ciclo en detalle es el siguiente: 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. El rendimiento ideal de este ciclo tiene el mismo valor que el ciclo de Carnot:

aunque jamás se alcanzan valores tan elevados. Para mejorar en lo posible el aprovechamiento del combustible quemado se somete al fluido a una serie de procesos que tienen como objeto aumentar el área encerrada por el diagrama. Entre éstos destacan los siguientes: - Precalentamiento del agua comprimida con los gases que escapan por la chimenea de la caldera. No aumenta el área del diagrama, pero sí reduce el calor que se debe introducir al ciclo. - Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.

- Regeneración, que consiste en extraer parte del vapor de la turbina para precalentar el líquido antes de entrar a la caldera.

Este ciclo Rankine es el que también cumplían las antiguas locomotoras y máquinas de vapor. Para realizar el trabajo se utilizaba un cilindro de doble efecto con un sistema provisto de una pieza desplazable llamada corredera cuya misión era enviar el vapor a un lado u otro del pistón:

1.2 ciclo hirn Tal como se indicó en el párrafo precedente, el ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Esto lo vemos ilustrado en las siguientes

figuras que muestran en detalle el proceso en diagrama de bloques, p-V y T-S.

Esquema bloques de ciclo de vapor de Hirn

La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (4) y comprime el agua hasta la presión de la caldera(5). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva al expansor o turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (3). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (4) prácticamente como líquido saturado. Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

Diagrama p-V de ciclo de vapor de Hirn

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