- 1 Definiciones y clasificaciones
- 2 Ciclo de Carnot.
- 3 Ciclo Rankine
- 4 Ejercicios para hacer en clase
Definiciones y clasificaciones
Podemos definir una “máquina” como un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento
posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo con un fin
determinado.
En este capítulo nos centraremos en las máquinas térmicas, las cuales se definen como:
es un dispositivo que trabaja de forma cíclica (o de forma continua) para producir trabajo mientras se
le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión,
volumen y temperatura en el interior de dicha máquina, de forma que los efectos mecánicos y los
efectos térmicos son interdependientes.
Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en
su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis:
- El gas que evoluciona en el interior de la máquina es ideal.
- Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo.
- Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriar el volumen fijo.
- Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas.
De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los
cálculos: como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que
salen de ella, tenemos:
De esta forma podemos clasificar los motores térmicos en función de cómo y donde se produce la
combustión: Así tenemos los motores de combustión externa (el combustible no se mezcla con
el gas que produce el trabajo) y los de combustión interna (el combustible se quema junto el gas
que produce el trabajo).
Otra clasificación se basa en el movimiento de las piezas principales del motor. Así tenemos los
motores alternativos, basados en el movimiento biela-manivela, los rotativos, en los que las piezas
realizan el trabajo, mediante movimientos rotatorios (compresores y turbinas) y los motores de
chorro, basados en el principio de acción y reacción, como los cohetes.
El otro tipo de máquinas térmicas que veremos en este bloque serán las máquinas frigoríficas,
cuyo funcionamiento se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a
baja temperatura y expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura.
Esquema de máquina frigorífica. |
Ciclo de Carnot.
El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor QE
de la fuente de alta temperatura, cede un calor QS a la de baja temperatura produciendo un trabajo
sobre el exterior. El rendimiento viene definido por
y es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse.
Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que
suministrar trabajo a la máquina.
Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica,
y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.
Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos estudiando, debemos:
tomar calor de un foco caliente Tc y
verter el calor de desecho en el foco frío, Tf.
Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debería tomarse a la temperatura máxima, y
todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que estamos buscando
debe incluir dos procesos isotermos,
uno de absorción de calor a Tc y
uno de cesión a Tf.
Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo
antes de la cesión), debemos incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el
exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos).
La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles
(no es la única forma, el motor de Stirling utiliza otro método, la recirculación).
Por tanto, nuestra máquina térmica debe constar de cuatro pasos:
C→D Absorción de calor Qin = Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc (Alta).
Se produce un aumento de presión y de volumen. Todo el calor aportado se transforma en trabajo
D→A Enfriamiento adiabático (sin intercambio de calor) hasta la temperatura del foco frío,
Tf. (disminución de temperatura y de presión)
A→B Cesión de calor Qout = | Qf | al foco frío a temperatura Tf. El gas comienza a
comprimirse pero no aumenta su temperatura, ya que va cediendo calor al foco frío.
Como no cambia la temperatura, la energía interna permanece constante; es decir, la cesión de calor
implica que hay que realizar un trabajo sobre el sistema
B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del
foco caliente, Tc. Se produce mediante la compresión del gas, aumentando su temperatura hasta el estado inicial del ciclo.
Analizando los valores del calor que entra y que sale, se demuestra que la expresión del rendimiento
se transforma en (con las temperaturas T A y T B expresadas en grados Kelvin):
y de esta expresión se deducen dos consecuencias:
1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se alcanzan
en el ciclo.
2. El rendimiento es tanto mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y cuanto
menor es la temperatura baja.
Ciclo Rankine
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que se aplica
habitualmente en las centrales térmicas. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y
condensa (normalmente agua). 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. El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador,
donde el vapor se 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 representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una
diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase.
A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones
de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ello las isotermas son
prácticamente verticales.
A la derecha corresponde al estado vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y
por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.
Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son horizontales.
Esto es así porque dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar
la temperatura, sino en su evaporación.
El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza
valores tan elevados.
Analicemos ahora las fases del ciclo:
Proceso 1-2: Compresión isoentrópica (sin pérdidas de calor) del fluido de trabajo en fase líquida
mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido
de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
Proceso 2-3: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.
En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación,
+ luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado.
Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia
del ciclo.
Proceso 3-4: Expansión adiabática del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera
hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje
de la misma.
Proceso 4-1: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito
de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado.
Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos,
para tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V.
4-5: Precalentamiento del agua comprimida aprovechando el calor de los gases que salen por
la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se reduce el calor
que hay que introducir al ciclo.
5-6: Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina haciéndolo pasar por la caldera y
después por otra turbina de baja presión.
El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras,
utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente móvil llamado corredera que dirigía
el vapor a un lado u otro del pistón.
En el siguiente dibujo puedes ver un esquema de las partes de una máquina de vapor.
Sus partes son:
Caldera: es el componente cuya función es la de calentar el agua hasta convertirla en vapor a alta presión.
Lumbreras de entrada y salida (LE, LS): conductos de entrada y salida del vapor.
Válvula de entrada (VE): permite la entrada del vapor al contenedor. Si se cierra, se corta todo el suministro de entrada de vapor.
Contenedor (C): lugar donde se encuentra la válvula corredera.
Válvula corredera (VC): componente que se encarga de regular la entrada y salida de vapor del cilindro. Se compone de una pieza con una cavidad, conectada a una barra que se desplaza hacia la izquierda o derecha por la acción del pistón. Estos desplazamientos hacen posible que se cambie la posición de entrada y salida del vapor para provocar el movimiento de vaivén.
Cilindro (CIL): componente aislado térmicamente (para mantener la temperatura del vapor) que dispone de orificios para la entrada o salida del vapor, y contiene el pistón o émbolo, que se desplaza por su interior debido a la acción del vapor. Para que se desplace dicho pistón, dispone de dos orificios más por los extremos, por los que pasa la barra del pistón.
Pistón o émbolo (P): el pistón es un disco que ocupa la sección transversal interna del cilindro, y que está atravesado por una barra en el centro, que lo conecta al sistema de transformación del movimiento de vaivén en movimiento circular.
Sistema de cambio de la válvula corredera (MI, MD): se compone de unas manivelas conectadas a la barra de la válvula corredera, que al ser accionadas por un resorte situado en la barra del pistón, hacen que cambie de posición dicha válvula.
Biela(B): componente del Sistema de Transformación del Movimiento (STM) que une el pistón con la manivela.
Manivela (M): componente del STM que conecta la biela con el volante y se encarga junto con la biela y el volante de transformar el movimiento de vaivén en un movimiento circular.
Volante (V): último componente del STM que, por su fabricación de metal, mantiene el movimiento circular por la propia inercia de su peso.
Y su funcionamiento se ve mucho mejor en imágenes que con palabras.
(Animación maquina de vapòr) (Y otro vídeo- animación)
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