Ciclos Termodinámicos de Potencia; vapor, gas y combinados.

Ciclos Termodinámicos
Termodinámica II
Actividad 1. ¿Cómo elegir un sistema?

• Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo de
potencia reversible que actúa
entre dos focos térmicos.
En este ciclo se presentan 4
procesos reversibles, los cuales
son dos procesos adiabáticos que
se alternan con 2 procesos
isotermos.
Se toma en cuenta que el pistón y
las paredes del cilindro son
adiabáticas
En la imagen se muestran los 4
procesos que a continuación
desglosamos.
Fernando Riveros Ochoa | Ingeniería en Energías Renovables.

• Ciclo de Carnot
Procesos
1-2: Se comprime el gas
hasta que alcanza la
temperatura Tc. Este
proceso es adiabático.
2-3: Al estar en contacto
térmico con el Foco a Tc. El
gas tiende a expandirse de
forma isoterma recibiendo
energía en forma de Qc del
Foco caliente.

• Ciclo de Carnot
Procesos
3-4: Se retira del contacto
térmico con el foco caliente, por
lo que se continua expandiendo
pero adiabáticamente. Hasta
alcanzar la temperatura TF.
4-1: Se hace contacto con el
foco frio a TF, y el gas comienza
su compresión isoterma, por lo
que cede energía en forma de
QF al foco frío.

• Ciclo de Carnot
Trabajo
El área bajo la curva 1-2: Representa
el trabajo consumido para la
compresión del gas.
El área bajo la curva 2-3 y de 3-4:
representan el trabajo realizado por
el gas al estar en expansión.
El área bajo la curva 4-1: es el trabajo
consumido para comprimir el gas.
El área encerrada en el Diagrama p-v
es el W neto desarrollado.

• Ciclo de Carnot
Entropía
La entropía A-B incrementa debido al
cambio de calor positivo, S de B-C es
cero dado que es un proceso
adiabático y alcanza la temperatura
mínima en el proceso.
La entropía C-D disminuye en función
del calor cedido al foco frío.
El diferencial de S de D-A es cero ya
que también se presenta en un
proceso adiabático.

• Ciclo de Carnot
Entropía
AB: S>0; S=Q1-2/T1
BC: S=0 (adiabático)
CD: S<0; S=Q3-4/T2
DA: S=0 (adiabático)

• Ciclo de OttoEs un proceso de cuatro tiempos de
ignición por chispa que es aplicado para
cantidades pequeñas de trabajo.
En el proceso A-B se da una compresión
adiabática cuando el pistón pasa del
punto muerto inferior al superior, ahí se
inyecta el aire fresco.
En el proceso B-C hay un incremento de
calor debido a una fuente externa,
mientras el pistón se encuentra en el
PMS, se considera a volumen constante
ya que la ignición de la mezcla de aire y
combustible es tan rápida que el
volumen es aprox, constante.

• Ciclo de Otto
En el proceso C-D, se presenta una
expansión adiabática, debido a que la
combustión induce a un incremento
de temperatura y presión.
El proceso D-A libera calor al entorno
al abrir la válvula de escape
repentinamente. En ese instante el
pistón continua en el PMS, por tanto
se considera que es un proceso a
volumen constante.

• Ciclo de Otto
El proceso A-E es el responsable de
eliminar los residuos de la
combustión en la cámara del cilindro.
A través de un decremento del
volumen de la cámara al abrir la
válvula de escape, a presión
atmosférica.
El proceso E-A comprende desde que
se cierra la válvula de escape y se
abre la válvula de admisión. Para
alcanzar al punto A.

• Ciclo de OttoEn 1-2 se tiene una compresión
adiabática por lo que no hay incremento
en la entropía.
En 2-3 se suministra calor a un volumen
constante. Por tanto la entropía
aumenta en función del calor añadido al
sistema.
3-4 se trata de una expansión
adiabática, no existe transferencia de
calor y la entropía se mantiene
constante durante este proceso.
4-1 es la liberación de calor isocora. Por
ello la entropía disminuye en función
del calor cedido por el sistema.
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• Ciclo DieselA diferencia de los ciclos analizados anteriormente en esta
presentación, este ciclo logra la combustión de la mezcla de aire
y combustible al comprimir la mezcla hasta alcanzar la
temperatura de autoignición de esta. De esta forma se omite el
uso de bujías y dispositivos para motores de ignición por chispa.

• Ciclo Diesel
El ciclo Diésel opera con razones
de compresión mas altas que el
ciclo de Otto.
La ignición se logra a través de un
incremento en la temperatura
hasta por encima del punto de
autoignición de la mezcla de
combustible y aire.

• Ciclo Diesel
Proceso 1-2 se encuentra la compresión
adiabática, aumentando la presión y
disminuyendo el volumen, ahí es donde
se incrementa la temperatura.
En el punto 2 se da la autoignición
Proceso 2-3 se presenta la combustión
de la mezcla de aire con combustible.
Proceso 3-4 se desarrolla la expansión
adiabática, debida al trabajo ejercido
sobre el pistón producto de la
combustión.
Proceso de 4-1, liberación de calor
isocora. Escape de residuos de la
combustión.

• Ciclo Diesel
Por otro lado, la entropía de 1-2 es
constante ya que este proceso es
adiabático. Pero en el 2-3 se da un
suministro de calor al sistema por lo
que la entropía aumenta en función de
la temperatura y calor añadido al
sistema.
De 3-4 se mantiene de constante la
entropía ya que la expansión es
adiabática.
De 4-1, se libera una cantidad de calor al
entorno. Por tanto, la entropía
disminuye.

• Ciclo BraytonEste ciclo es de vapor e incluye la operación de diversos
dispositivos como compresor axial o rotatorio, combustor
y turbina principalmente.

• Ciclo BraytonEn el proceso de 1-2, el aire del entorno
se hace pasar por el compresor por lo
que disminuye su volumen y aumenta su
presión.
En el proceso 2-3, se inyecta combustible
y se pasa por el combustor, lo cual
provoca que al aumentar la temperatura
también aumente el volumen.
Para el proceso 3-4 la mezcla se hace
pasar a través de la turbina,
disminuyendo la presión y aumentando
el volumen a medida que pasa por la
turbina.
En el proceso 4-1, se libera el calor
cediéndolo al ambiente a presión
constante. Disminuyendo el volumen.

• Ciclo BraytonLa entropía de 1-2 es constante porque
este proceso es adiabático. Pero la
temperatura aumenta.
Pero en el 2-3 se da un suministro de
calor al sistema por lo que la entropía
aumenta en función de la temperatura y
calor añadido al sistema.
De 3-4 se mantiene de constante la
entropía debido a la expansión
adiabática. La temperatura desciende.
De 4-1, se libera una cantidad de calor al
entorno a presión cte. Por tanto, la
entropía disminuye.

• Ciclo RankineEste se presenta generalmente en las plantas de
generación de energía eléctrica y debe su nombre al
ingeniero escocés William John Rankine.

• Ciclo RankineProceso 1-2: expansión isoentrópica a
través de la turbina de vapor.
Proceso 2-3: el vapor se pasa por el
condensador cediendo energía en forma de
calor a un sumidero térmico. La entropía
disminuye.
Proceso 3-4: compresión isoentrópica
mediante una bomba que aumenta la
presión del liquido.
Proceso 4-1: se añade calor al sistema
desde una fuente externa y se da un
cambio de fase en el liquido de trabajo de
liquido comprimido a vapor saturado.

• Ciclo RankineEn el punto 1 la caldera suministra calor y
entrega vapor de agua que se transporta a
la turbina.
Ahí el vapor se expande por la diferencia
de presión entre la caldera y el
condensador, en ese proceso se ejerce
trabajo sobre la turbina.
El vapor sale en el punto 2, y es admitido
por el condensador que entrega liquido
condensado a la bomba.
La bomba aumenta la presión del
condensado en el punto 3 y entrega este a
la caldera en el punto 4.

• Ciclo combinado
En las plantas se pueden construir
sistemas que combinan ciclos con
distintas sustancias de trabajo para
mejorar el rendimiento de la planta
completa.
Los metales alcalinos como el
potasio, sodio y algunas mezclas al
utilizarse en ciclos Rankine como
sustancias de trabajo, elevan
significativamente la eficiencia del
sistema.

• Ciclo combinado
Ciclo combinado binario.
Es el ciclo en el cual el calor extraído
durante el proceso de eliminación de
un ciclo de potencia, se utiliza como la
entrada de calor para otro ciclo.
Utilizan dos sustancias de trabajo que
operan a distintos rangos de
temperatura entre sí.
El ciclo que opera por encima del otro
se le llama ciclo superior o cubierta.

• Ciclo combinadoEste proceso opera con un
intercambiador de calor
interconectado a ambos sistemas que
sirve como condensador para el ciclo
del gas o metal y como caldera en el
ciclo del agua.
La masa del gas o metal debe ser
mayor que la cantidad de masa del
agua porque el decremento de
entalpia especifica de la sustancia del
ciclo superior al condensarse es
varias veces menor que el
incremento de entalpía especifica del
vapor de agua.

• Ciclo combinado
Se acoplan dos turbinas. Una de vapor y
otra de gas. La temperatura del flujo de
escape de una turbina de gas se aproxima
a la temperatura de admisión de las
turbinas de vapor.
Esto representa un beneficio y eleva la
eficiencia de la planta en términos globales
de energía.
Se estudian por separado las eficiencias
para cada ciclo para obtener la eff. Global
de la planta.

• ¿Cuál es el mejor ciclo?
Sin duda se debe tomar en cuenta la aplicación requerida para la potencia generada en el ciclo,
pero en términos generales, considero que el ciclo combinado es el mejor ciclo ya que
aprovecha la energía calorífica de escape, y de este modo da lugar a la operación de un ciclo
independiente que contribuye a la potencia generada, además de que este presenta la eficiencia
más elevada entre todos los ciclos expuestos, esto se traduce en reducción de combustibles para
la generación de una cantidad de energía, lo cual favorece económica y ambientalmente.

• ¿Qué es un ciclo de refrigeración?
Los ciclos de refrigeración son aquellos que su principal función es la de remover el calor
de forma continua de un cuerpo a baja temperatura con referencia en su entorno.

• ¿Qué propiedades debe tener un refrigerante?
El refrigerante es la sustancia de trabajo de los sistemas de refrigeración y bombeo de calor.
La selección de un refrigerante debe contar con la relación presión-temperatura en la que opera fielmente.
Se debe tomar en cuenta que no existan presiones muy bajas cuando se evapore, ni que haya presiones
excesivamente altas al condensarse.
Otros factores son los económicos, que sea amigable con el medio ambiente, su inflamabilidad, el calor
latente de condensación (hfg) a la temperatura de refrigeración, la presión de saturación a la temperatura
de trabajo.
De estos el más importante es el calor latente de condensación, ya que al condensarse absorbe mucho calor
del espacio que se desea refrigerar.

• Ciclo de Carnot Inverso
El refrigerante se encuentra en estado liquido-vapor pasa a través de un compresor para
elevar la temperatura y presión, pasando a un estado de vapor saturado. Este proceso es
adiabático. Seguido se pone en contacto con una fuente a alta temperatura y se libera calor
hacia ella, la temperatura de este proceso es constante y se da un cambio de fase de vapor
saturado a liquido saturado, se da una expansión por lo que la temperatura y presión del
refrigerante disminuyen. Pero este queda a temperatura un poco mayor que la del espacio
a refrigerar y si estado es liquido-vapor. El refrigerante se transporta a un evaporador y
recibe un suministro de calor desde una fuente fría que provoca un cambio de fase a
temperatura y presión constantes. La fuente fría es el espacio a refrigerar. La calidad del
refrigerante en todo el ciclo es mala.

• Ciclo de refrigeración de Brayton
Este ciclo utiliza un gas refrigerante que inicialmente tiene una
temperatura menor a la de la fuente fría, se comprime elevando
la temperatura y presión, la temperatura llega a ser más alta
que la fuente caliente, se transporta a un intercambiador de
calor para liberar energía a la fuente caliente. El gas pierde
calor a presión constante, seguido se expande a través de una
turbina, disminuyendo su temperatura por debajo de la fuente
fría. Se pasa por un intercambiador de calor con la zona a
refrigerar, al absorber calor el gas se expande hasta tener una
temperatura apenas por debajo de la fuente caliente.

• ¿Qué es una bomba de calor?
Es una bomba que mantiene la temperatura dentro de un
espacio por encima de la temperatura del entorno externo,
o en su caso, suministrar un flujo de calor para sistemas de
industrias que requieren temperaturas muy altas.
Operan de una forma aproximada a los refrigeradores, la
variante es la temperatura de operación.
Actualmente se puede una bomba de calor tanto como
sistema de calefacción, como de aire acondicionado.

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