Este documento resume conceptos clave de termodinámica como ciclos de potencia y refrigeración. Explica que el ciclo de Carnot es idealizado y no práctico, mientras que los ciclos reales tienen irreversibilidades. También describe formas de mejorar la eficiencia de ciclos de potencia como aumentar la presión y temperatura en la caldera, usar recalentamiento y regeneración. Finalmente, cubre ciclos de refrigeración como el ciclo de Carnot invertido y formas de mejorar la eficiencia como usar cascadas, etap

1. DOMENICO VENEZIA
RESUMEN TERMODINÁMICA II
PRIMER PARCIAL
CICLOS DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN
1. Cuestiones no prácticas del ciclo de Carnot
En un ciclo de Carnot el fluido se calienta de manera
reversible e isotérmicamente en una caldera (proceso
1-2); se expande isentrópicamente en una turbina
(proceso 2-3); se condensa reversible e isotérmicamente
en un condensador (proceso 3-4), y se comprime de
manera isentrópica mediante un compresor hasta su
estado inicial (proceso 4-1).
Sin embargo:
 La transferencia isotérmica de calor hacia o desde un sistema de dos
fases no es difícil de alcanzar en la práctica, porque una presión
constante en el dispositivo fija automáticamente la temperatura en el
valor de saturación. Por consiguiente, los procesos 1-2 y 3-4 pueden
aproximarse bastante a los de las calderas y los condensadores reales.
Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a
sistemas de dos fases limita severamente la temperatura máxima que
puede utilizarse en el ciclo (tiene que permanecer debajo del valor
del punto crítico, el cual es de 374 °C para el agua); limitando así la
eficiencia térmica del ciclo.
 En un proceso de expansión isentrópica, la calidad del fluido
disminuye a la salida de la turbina, la turbina maneja entonces vapor
de baja calidad y el choque de gotas líquidas sobre el álabe produce
erosión, desgastando así al equipo.
 El proceso de compresión isentrópica (proceso 4-1) implica la
compresión de una mezcla de líquido y vapor por lo que no es
práctico diseñar un compresor que maneje dos fases.

2. 2. Irreversibilidades en un ciclo de potencia real
La fricción del fluido ocasiona caídas de
presión en la caldera, el condensador y las
tuberías entre diversos componentes.
Como resultado, el vapor sale de la
caldera a una presión un poco menor a la
supuesta en el ciclo de Rankine ideal.
Además, la presión en la entrada de la
turbina es un poco más baja que la de la
salida de la caldera, debido a la caída de
presión en los tubos conectores. La caída
de presión en el condensador Para
compensar todas estas caídas de presión, el agua debe bombearse a una
presión más alta que la que tiene el ciclo ideal con el empleo de una bomba
mucho más grande.
La pérdida de calor a los alrededores cuando el fluido circula por varios
componentes, es necesario transferir más calor hacia le vapor en la caldera
para compensar dichas irreversibilidades.
3. Incremento de la eficiencia de un ciclo de potencia
La idea general que se busca para incrementar la eficiencia es que la
temperatura promedio del fluido debe ser los más alta posible durante la
adición de calor y lo más baja posible durante el rechazo de calor
a. Reducción de la presión del condensador:
La reducción de la presión de operación del condensador reduce
automáticamente la temperatura del vapor, y por lo tanto la temperatura a
la cual el calor es rechazado.
Limitaciones:
 La presión no puede ser menor a la presión de saturación de la
temperatura del medio de enfriamiento.
 Incrementa el contenido de humedad en las etapas finales de la
turbina.

3. b. Sobrecalentamiento de vapor a altas temperaturas.
La temperatura promedio a la que el calor es transferido hacia el vapor
puede ser incrementada sin aumentar la presión de la caldera, gracias al
sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas. Aumenta entonces, la
temperatura promedio a la cual se añade calor y a su vez disminuye el
contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina.
Limitaciones:
 La temperatura a la cual se puede calentar está limitada. Lo máximo
posible es 620 °C
c. Incremento de la presión en la caldera
Se puede aumentar la temperatura
promedio de adición de calor,
aumentando la presión de la caldera (ya
que un aumento de presión involucra un
aumento de temperatura). Obsérvese que
al aumentar la presión en la caldera,
aumenta la cantidad de humedad que
ingresa en la turbina (proceso 3’-4’). Esto
puede ser fácilmente corregido con una
etapa de recalentamiento (sección d). En
la actualidad la presión máxima que resiste
una caldera es 30 MPa.
d. Ciclo de Rankine Ideal con Recalentamiento
¿Cómo incrementamos la presión de la caldera y evitamos el exceso de
humedad en las turbinas? Se puede:
1. Sobrecalentar el vapor a
temperaturas muy altas antes de que
entre a la turbina. Esto podría ser
inseguro pues podría provocar
problemas metalúrgicos.
2. El Recalentamiento: consiste en
expandir el vapor en la turbina en dos
etapas y recalentar al fluido entre
ambas etapas haciéndolo pasar por
un serpentín en la caldera.

4. Este ciclo no mejora tanto la eficiencia con respecto al de
sobrecalentamiento, pero si evita el daño de las turbinas a corto plazo.
e. Ciclo de Rankine con regeneración
En ocasiones la temperatura promedio de entrada de calor es muy baja lo
que reduce a la eficiencia, una manera de incrementarlo es utilizar un
regenerador que incremente la temperatura del fluido que sale de la
bomba antes de entrar a la caldera.
Lo que se hace usualmente es que parte del fluido que sale de la turbina,
en vez de ser utilizado para llevarlo a otra turbina y aumentar así la expansión
y el trabajo, lo que se hace es que se lleva a un regenerador (abierto o
cerrado) para calentar al agua de alimentación.
La regeneración mejora la eficiencia del ciclo y además desairea al agua
de alimentación (eliminando el aire que se filtra en el condensador) lo cual
evita así la corrosión de la caldera.
El calentador abierto es una cámara de mezclado, idealmente la mezcla
sale como líquido saturado (x=0) a la presión del calentador, es necesario
sin embargo que se le coloque una bomba posterior al regenerador para
que ésta aumente la presión del fluido a la presión de la caldera y
posteriormente entre a ella. Los calentadores abiertos son simples y
económicos, realizan una transferencia de calor efectiva, pero cada
calentador requiere luego de una bomba.
En el calentador cerrado no ocurre ninguna mezcla, el vapor y el fluido
pueden estar a presiones diferentes pues no ocurre ninguna mezcla,
idealmente se calienta a la temperatura de salida del vapor extraído y sale
del calentador como líquido saturado (x=0). Son más complejo, necesitan
una red de tuberías internas que los hace más costosos, la transferencia de
calor es menos efectiva porque no hay contacto directo entre los dos flujos,
sin embargo no requieren de una bomba.
f. Cogeneración
Las plantas que liberan y consumen gran cantidad de calor, envés de
desperdiciarlo, por lo que se utiliza el potencial de trabajo ya existente para
otros procesos. Se puede definir entonces como la producción de más de
una forma útil de energía a partir del mismo proceso.

5. CICLO DE REFRIGERACIÓN
1. Ciclo invertido de Carnot:
Todo ciclo de refrigeración o bomba de calor
opera en el ciclo invertido de Carnot, que
establece:
 Proceso 1-2: El refrigerante absorbe calor
isotérmicamente de una fuente de baja
temperatura TL (evaporador)
 Proceso 2-3: Compresión isentrópica
(compresor)
 Proceso 3-4: Rechaza calor
isotérmicamente (ingresa como vapor
saturado, sale como líquido saturado)
 Proceso 4-1: Se expande
isentrópicamente hasta el estado 1.
(ocurre en una turbina y no una válvula porque la válvula produce
estrangulamiento no es reversible).
𝐶𝑂𝑃 (𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡) =
1
1 −
𝑇𝐿
𝑇𝐻
𝐶𝑂𝑃 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒) =
𝑄𝑙
− 𝑤𝑐
𝐶𝑂𝑃 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒) + 1 = 𝐶𝑂𝑃 (𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟)
 La capacidad de enfriamiento de un refrigerador es equivalente al
calor que ingresa en el evaporador, usualmente viene en unidades de
potencia, pero en algunos casos puede venir en unidades de
toneladas (1 tonelada= 3.5168 KW).
Problemas:
 Los procesos 2-3 y 4-1 no pueden aproximarse en la vida real. El
proceso 2-3 requiere un compresor que maneje dos fases y el 4-1
requiere una turbina que soporte gran contenido de humedad

6. 2. Ciclo ideal de refrigeración
Se compone por
o Proceso 1-2: compresión
isentrópica en un compresor (de
vapor saturado a gas
sobrecalentado)
o Proceso 2-3: Rechazo de calor a
presión constante en un
condensador
o Proceso 3-4: Estrangulamiento en
una válvula de expansión
o Proceso 4-1: Absorción de calor a
presión constante
Una regla empírica es que el COP mejora entre
2 y 4 por ciento por cada °C que eleva la
temperatura de evaporación o que disminuye
la temperatura de condensación.
3. Diferencias entre el ciclo real y el ideal
En el ciclo ideal, el refrigerante sale del
evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Sin embargo, en la
práctica, el refrigerante se sobrecalienta ligeramente en la entrada del
compresor. Este ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se
evapore por completo cuando entra al compresor.
El proceso de compresión real incluirá efectos de fricción, los cuales
incrementan la entropía y la transferencia de calor.
El refrigerante se subenfría un poco antes de la entrada a la válvula, pues
debido a las caídas de presión en las líneas y en el condensador es
prácticamente imposible que éste salga del condensador como líquido
saturado.
El ciclo refrigeración simple es el más utilizado, son económicos, simples y
confiables y libres de mantenimiento. En los procesos industriales sin
embargo lo que importa es la eficiencia, entonces se puede aplicar:

7. 4. Ciclos de refrigeración en cascada
Se colocan varias etapas, unidas por un
intercambiador de calor. Para el ciclo
inferior el intercambiador actuará como un
condensador y para el superior éste actuará
como un evaporador. Si se utilizan fluidos
difererentes o el intercambio de calor es
mejor y en un diagrama t-s tendríamos un
diagrama para cada fluido (este mismo
diagrama aplica para fluidos iguales).
Nótese:
 El estado 3 a la salida del
intercambiador de calor para la fase
B es líquido saturado, esto tiene
sentido pues actúa como si fuese la salida de un condensador.
 El estado 5 es para el fluido que fluye por A (que puede ser el mismo
que B) es vapor saturado a la salida del intercambiador, esto tiene
sentido porque el intercambiador actúa como un evaporador para la
etapa A.
 El intercambiador es adiabático.
5. Sistema de refrigeración por etapas
Como hay contacto entre el fluido el
intercambio de calor es mejor. Se utiliza una
cámara de mezclado o también conocida
como cámara de vaporización
instantánea (también separador flash).
 El proceso 6,7,3 corresponde a la
válvula de mezclado o cámara de
vaporización, que se separa en
vapor saturado (3) y líquido saturado
(7).
 Entre 7-8 hay una válvula de expansión y luego el evaporador
entre 8-1
 Luego de la salida del compresor en 2 (conocido también como
compresor de baja presión) , hay un mezclador entre 2 y 3 y sale 9
(esta mezcla es básicamente un proceso de regeneración). Luego
9 pasa por otra etapa de compresión que provoca vapor
sobrecalentado (4), entre 4 y 5 se libera calor en un condensador
isobáricamente y entre 5 y 6 hay una válvula de estrangulamiento.

8. 6. Refrigeración de gases
El gas se comprime durante el proceso 1-2. El
gas a presión y temperatura altas en el
estado 2 se enfría después a presión
constante hasta T0 (T3 es mayor a T0 según el
Cengel, pero de acuerdo al Borgnakke T3
podría ser equivalente a la temperatura
ambiente) al rechazar calor hacia los
alrededores. Esto es seguido por un proceso
de expansión en una turbina, durante el cual
la temperatura del gas disminuye hasta T4.
Por último el gas absorbe calor isobáricamente hasta t1. Los procesos de
compresión y expansión serán isentrópicos (por ello no es lógico colocar una
válvula pues ésta no es isentrópico). Tienen bajo COP pero tienen
componentes más ligeros
Fig. 1: Proceso de refrigeración ideal. Brayton invertido (izquierda)
Fig. 2: Proceso de refrigeración de un avión (derecha)
Suponiendo Cp constante:

9. Rp= P2/P1
Esta fórmula elimina muchos
cálculos pero da igual si se hace por
la fórmula normal