ciclo rankine y carnot

1. CICLO RANKINE Y CARNOT
John Federico Boada Ramírez
Nohemy Bustacara Rodríguez
INGENIERIA MECANICA
UNIVERSIDAD ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES
FACULTAD DE INGENIERIA
BOGOTA D.C.
2015

2. INTRODUCCION
El presente trabajo está enfocado en los sistemas de potencia de vapor y
refrigeración en donde se obtendrá como resultado una eficiencia por parte de los
equipos o unidades que se utilicen, además se expondrán algunos de los ciclos
más utilizados en la actualidad y que han sido mejorados con el fin de aumentar
su eficiencia producto de un trabajo.
Para comprender la diferencia entre ciclos es necesario mencionar las causas por
las que varían cada uno de ellos haciendo énfasis en las características que se
requieren para que estos funcionen con un nivel máximo de operación sin llegar al
punto de excederlos.

3. OBJETIVOS
Analizar cada uno de los procesos expuestos para de esta manera poder
diferenciarlos de una manera sencilla sin perder de vista su principio de
funcionamiento para el que fueron creados.
Contrastar tanto el ciclo de Rankine como el de Carnot con el fin de observar las
diferencias entre ellos para tener de esta manera un esquema de trabajo en
conjunto de sus diagramas de operación.
Identificar la materia prima con la que funcionan los ciclos mencionados ya que
tienen un comportamiento que resulta ser ambiguo uno de otro.

4. El ciclo Rankine
Con este ciclo se busca eliminar distintos aspectos que eran poco prácticos del
ciclo de Carnot, el ciclo Rankine es un ciclo ideal para centrales eléctricas de
vapor obteniendo como resultado un trabajo. Una razón por la que se prefiere el
ciclo Rankine es sobrecalentar el vapor, este se sobrecalienta a presión constante
en este ciclo hay que tener en cuenta que no habrá ninguna irreversibilidad interna
y que estará compuesto por los siguientes 4 procesos como se indica en la figura
No1 [1]
1-2 Compresión isentropica en una bomba
2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera
3-4 Expansión isentropica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
Fig.1 Ciclo Rankine ideal simple (Imagen tomada de Termodinámica de Cengel)

5. Una vez observado el anterior esquema tanto la bomba, caldera, turbina y
condensador son considerados como dispositivos de flujo estacionario por lo tanto
pueden ser analizados como tal. Los cambios de energía cinética y potencial
serán pequeños y casi que insignificantes en relación al trabajo con la
transferencia de calor producido. La anterior definición nos lleva a definir la
ecuación de energía de flujo estacionario por unidad de masa de vapor. [1]
Fig.2 Ecuación de energía de flujo estacionario (Formula tomada de
Termodinámica de Cengel)
La eficiencia térmica del ciclo de Rankine la podemos calcular mediante la
siguiente expresión
Fig.3 Ecuación Eficiencia térmica (Formula tomada de Termodinámica de Cengel)
Cualquier cambio que incremente la temperatura promedio a la que se le
suministre calor o disminuya dicha temperatura promedio cediendo calor,
incrementara la eficiencia del ciclo Rankine, es por esta razón que la eficiencia
dependerá de la temperatura promedio a la que se le suministrara calor y
temperatura promedio en la que cederá calor.
Es por esta razón que la idea básica de como incrementar la eficiencia del ciclo
Rankine se refiere a que la temperatura promedio del fluido debe ser lo más alta
posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el
correspondiente rechazo de calor. Para lograr lo anteriormente mencionado se
analizaran los siguientes factores. [1]

6. Reducción de la presión del condensador
Esta reducción de presión se verá directamente representada en la temperatura
del calor rechazado ya que el agua en el condensador se encontrara en un vapor
húmedo a una temperatura de saturación adecuada a la presión dentro del
condensador. Para entender un poco mejor lo antes mencionado podemos
observar la figura No.4 en la que se puede observar un diagrama T-s
centrándonos un poco en el área sombreada, producto de la reducción de presión
en el condensador y obteniendo un aumento en el trabajo neto de salida.
Fig. No 4 Efectos de la reducción de presión del condensador (Diagrama tomado
Termodinámica de Cengel)
Es de resaltar que así como hay efectos positivos sobre el ciclo Rankine por la
técnica antes mencionada también hay efectos negativos, estos efectos negativos
nos llevan a la posibilidad de filtraciones de aire dentro del mismo condensador
además de un incremento de humedad del vapor en las etapas finales de la
turbina, este efecto logra deteriorar las alabes de dicha turbina para mitigar este
problema pasaremos al siguiente contenido. [1]

7. Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
La temperatura media a la que el calor es transferido hacia el vapor puede llegar a
ser aumentada sin aumentar la presión en la caldera, este efecto causa un
aumento en el trabajo neto mostrado en el área sombreada de la Fig.5 el aumento
en la entrada de calor la vemos representada en la totalidad del área bajo la curva,
el efecto total es un aumento en la eficiencia térmica ya que aumenta la
temperatura promedio a la cual se le añade calor.
En este caso uno de los efectos positivos a causa de esta técnica de
sobrecalentamiento del vapor a elevadas temperaturas es disminuir la cantidad de
humedad de vapor que pudiese llegar a la salida de la turbina, a pesar de que esta
técnica consiste en el sobrecalentamiento, este valor debe estar limitado ya que
las condiciones metalúrgicas de los materiales tienen un límite que no se deben
sobrepasar. En la actualidad se trabaja constantemente con la idea del
mejoramiento de los materiales con el fin de que puedan soportar mayores
temperaturas, uno de los materiales que tiene mayor aceptación para este fin son
los materiales cerámicos.
Fig.5 Aumento en el trabajo neto por medio del sobrecalentamiento del vapor a
altas temperaturas (Diagrama tomado de termodinámica de Cengel)

8. Incremento de la presión en la caldera
Este es otro método con el que se puede aportar una temperatura promedio
durante el proceso de adición de calor, este método aumenta inmediatamente la
temperatura a la que sucede la ebullición, como consecuencia de la anterior
operación se eleva la temperatura promedio en la que se le adiciona calor al vapor
obteniendo como resultado final la eficiencia térmica de un ciclo.
Este efecto lo podemos observar en la Fig. 6 En donde aumentar dicha presión en
la caldera se observa que la temperatura de entrada fija en la turbina el ciclo se
dirige al lado izquierdo, y a su vez aumenta el contenido de humedad de vapor en
la salida de la turbina, este método nos deja ver un efecto contiguo que puede
llegar a ser solucionado con el método que vera a continuación. [1]
Fig. 6 Efecto causado por incrementar la presión en la caldera (Diagrama tomado
de Termodinámica de Cengel)
Ciclo Rankine ideal con recalentamiento
Como lo habíamos visto con anterioridad el efecto a causa del aumento en la
presión de la caldera incrementa a su vez la eficiencia térmica en el ciclo Rankine,
dejando al descubierto que también habrá una incrementación en el contenido de
vapor a niveles elevados. Es en este punto en donde debemos analizar y

9. formularnos la siguiente pregunta ¿cómo poder aprovechar las mayores
eficiencias a presiones más altas de la caldera sin tener que enfrentar uno de los
mayores problemas como la humedad excesiva en las etapas finales de la
turbina?
Para solucionar este efecto podemos contar con 2 técnicas la primera se trata de
sobrecalentar el vapor a temperaturas muy elevadas antes de que este entre a la
turbina lo cual aumentaría la eficiencia de este ciclo, mas sin embargo cabe anotar
que esta solución no resulta ser la más adecuada ya que elevar la temperatura
producirá que los materiales se conviertan en inseguros
La segunda opción es muy utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor y
se trata de expandir el vapor en la turbina mediante dos etapas y recalentarlo
entre ellas, este método es llamado recalentamiento obteniendo de esta manera
que el problema de humedad excesiva en turbinas sea mitigado. En la Fig. No 7
podemos observar un esquema de una central eléctrica que funciona con este
método.
Fig. No 8 Esquema de funcionamiento central eléctrica con recalentamiento
(Imagen tomada de termodinámica de Cengel)

10. Este ciclo ideal con recalentamiento es derivado del ciclo Rankine ideal simple en
el que se llegara a obtener un proceso de expansión que ocurrirá en dos etapas,
en la primera la turbina de alta presión en la que el vapor se expandirá de forma
isentropicamente hasta llegar a una presión intermedia y regresara a la caldera
donde se recalentara a presión constante, luego el vapor se expenderá
isentropicamente en una segunda etapa en la turbina de baja presión. Como lo
veremos en el diagrama T-s en la Fig. No 9.
Fig. No 9 Diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con recalentamiento (imagen
tomada de termodinámica de Cengel)
Luego de haber analizado este sistema de recalentamiento obtenemos como
respuesta que ha sido diseñado con la funcionalidad de reducir el contenido de
humedad del vapor en etapas finales del proceso de expansión, en el momento
que se cuenten con materiales que soporten temperaturas muy elevadas no sería
necesario el método de recalentamiento.
Ciclo Carnot de refrigeración
Una de las principales aplicaciones de la termodinámica es la refrigeración esta
aplicación es la transferencia de calor en una zona de temperatura inferior hacia
una temperatura superior esto se lleva a cabo con máquinas llamadas
refrigeradores mediante un dispositivo cíclico funciona con un fluido de trabajo
llamado refrigerante, el cual tiene como efecto la diferencia entre el calor que
contiene el líquido y el calor contenido en el vapor después de pasar por el

11. evaporador.[2] Entre los ciclos de refrigeración el más utilizado es por compresión
de vapor en donde el refrigerante será evaporado y se condensara de forma
alternada para luego poder ser comprimido en la fase de vapor. También existe el
ciclo de refrigeración de gas en donde un refrigerante será mantenido a todo
momento en una fase gaseosa. Aparte de los ciclos de refrigeración antes
mencionados existen otros tipos como lo son refrigeración por cascada,
refrigeración por absorción y la refrigeración termoeléctrica en donde dos
materiales distintos serán expuestos a corriente. La bomba de calor resulta ser
otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a un medio
que se encuentre a una elevada temperatura.
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor
Las desventajas asociadas al ciclo invertido de Carnot pueden llegar a ser
eliminadas al evaporar el fluido de trabajo por completo antes de que este se
comprima. Si hacemos uso de un dispositivo de estrangulamiento sustituyendo de
esta manera la turbina, lo resultante es llamado ciclo ideal por compresión de
vapor del cual se hace uso en refrigeradores, bombas de calor y sistemas de
acondicionamiento de aire. Este ciclo ideal está compuesto por los siguientes
procesos:
1-2 Compresión isentropica en un compresor
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador
En la figura No 10 podemos observar un esquema de su funcionamiento con un
diagrama T-s. En donde el área bajo la curva del proceso 4-1 nos muestra el calor
absorbido (Ql) por el refrigerante en el evaporador y el área en el proceso 2-3
representa el calor rechazado (Qh) por el condensador. [1]

12. Fig. 10 Esquema de funcionamiento y diagrama T-v (imagen tomada
Termodinámica de Cengel)
Otro diagrama que nos ilustra en análisis de los ciclos de refrigeración por
compresión de vapor es un diagrama P-h en donde en donde el condensador y
evaporador son proporcionales a la longitud de la curva del proceso mostrado en
la figura No 11, en donde tres de los cuatro procesos son líneas rectas. La
diferencia de los ciclos ideales analizados anteriormente no corresponde a un ciclo
internamente reversible ya que el estrangulamiento es un proceso irreversible, si el
estrangulamiento se cambiara por una turbina isentropica lo cual resultaría ser
poco práctico ya que los beneficios adicionales no justifican el costo y complejidad
del sistema.

13. Fig. 11 Diagrama P-h del ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor
(imagen tomada termodinámica de Cengel)
Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor
Este ciclo real es derivado del ideal en distintos aspectos más exactamente por las
irreversalidades que ocurren en distintos componentes, como lo son la fricción del
fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. En este ciclo el
refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como un vapor saturado, al
momento de efectuar una práctica no es posible tener control sobre el estado del
refrigerante con una buena precisión, por otro lado resulta fácil crear un sistema
en el que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor
asegurando de esta manera que el refrigerante se evapore por completo al
momento de entrar al compresor. Hay que tener en cuenta la línea que conecta el
evaporador con el compresor ya que si esta es muy larga se ocasionara un
desplome de presión ocasionada por la fricción del fluido y la transferencia de
calor. En la figura No 12 observamos el esquema de funcionamiento de un ciclo
ideal para refrigeración por compresión de vapor, el diagrama T-s- señalado en la
figura No 13 del mismo ciclo nos ilustra su funcionamiento.[1].

14. Fig. No 12 Esquema para un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.
(Imagen tomada Termodinámica de Cengel)
Fig. 13 Diagrama T-S para un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.
(Imagen tomada Termodinámica de Cengel)

15. CONCLUSIONES
Cada uno de los ciclos señalados muestra un proceso en cadena de
funcionamiento obteniendo de esta manera tener una idea clara del por qué una
reducción de presión en el condensador o un sobrecalentamiento del vapor a una
elevada temperatura, en el caso del ciclo de Rankine. O la derivación de un ciclo
ideal de refrigeración por compresión de vapor hacia un ciclo real.
Se identificó con claridad el funcionamiento de los ciclos de vapor y refrigeración
haciendo de cada uno de estos un principio único con el que se encontraron
ventajas y desventajas en su funcionamiento. También se observó que un cambio
teórico y práctico de componentes haría de poca viabilidad su eficiente operación,
Ya que su diseño esta determinado.
Resulto de bastante interés poder identificar la materia prima con la que funciona
cada uno de los ciclos expuestos en el presente trabajo, ya que cada uno de ellos
posee características distintas para la función que fueron diseñados como es el
caso del ciclo Carnot de refrigeración, a pesar de que son elementos con
características poco amigables con el ser humano y su medio ambiente la
toxicidad, inflamabilidad, la forma compleja de detectar fugas, el olor y el costo con
su respectiva disponibilidad lo ponen en tela de juicio para mejorar sus
características. Por el lado del vapor en el ciclo Rankine resulta ser una materia
prima un poco complicada de manejar ya que los factores que lo acompañan
como el caso de la metalurgia de los componentes con los que tiene interactuar
deben ser muy precisos para no ocasionar daños en los partes mostradas en los
esquemas de funcionamiento.

16. BIBLIOGRAFIA
[1] Y. A. Cengel, M. A. Boles. Termodinámica séptima edición capítulo 10-2 /11-2.
[2] R. R. Contreras. Refrigerantes y su impacto ambiental. Universidad de los
Andes Facultad de Ciencias.