Ciclos termodinámicos
Introducción
¡Hola!
Espero que te encuentres gozando de una salud impecable y sobre todo mantengas tu buen ánimo para continuar con tu última clase del curso a la cual se le ha llamado Ciclos termodinámicos.
Los ciclos termodinámicos son una aplicación general de los dispositivos que se revisaron en la clase anterior. En este sentido, los ciclos son un conjunto de elementos o dispositivos que se integran para formar una máquina o una central de energía. Es así que, existen los ciclos de generación de potencia (Ciclo Rankine, Combinado, Kalina) y los ciclos de generación de frío (ciclos de refrigeración y climatización).
Los ciclos termodinámicos requieren el uso de las ecuaciones presentadas en todo el curso, que van desde balances de masa, energía y entropía, hasta el cálculo de propiedades termodinámicas de los fluidos empleados en los ciclos.
Las aplicaciones son bastas, por ejemplo los ciclos para generar potencia eléctrica son los que se encuentran implementados en centrales termoeléctricas en todo el mundo. Aquí existen variantes de estos ciclos, siendo el más primitivo, el ciclo Rankine. También existen aplicaciones para los ciclos en el área de generación de frío, de calor o para mantener condiciones de confort en espacios cerrados como automóviles, supermercados, cines, etc.
Aquí la integración principalmente de intercambiadores de calor, válvulas de estrangulamiento y un compresor, hacen posible la generación de frío. El equipo más conocido en aplicación de este tipo de ciclos es el refrigerador, el cual sirve para conservar productos perecederos en los hogares, hoteles, supermercados, por citar algunos lugares.
Es así que, en esta última clase del curso, se revisará el análisis de cada uno de los ciclos termodinámicos los cuales serán divididos en tres:
- Ciclo de vapor
- Ciclo de gas
- Ciclo de refrigeración
A continuación, se presentan cada uno de estos ciclos de manera independiente y con sus características propias.
De acuerdo con lo anterior, empecemos la última clase. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Ciclo del vapor
El ciclo de vapor se utiliza comúnmente para la generación de potencia eléctrica. Dos de los ejemplares más conocidos en la actualidad son el ciclo Rankine y el ciclo combinado, este último se encuentra implementado en muchas de las centrales termoeléctricas modernas en el mundo por que ha demostrado ser más eficiente que el primero.
Aunado a lo anterior, se puede comentar que en el ciclo Rankine es un ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Para el ciclo Rankine ideal, no se consideran irreversibilidades internas y se compone de cuatro pasos o etapas, mismas que se mencionan a continuación:
| Etapa | Proceso |
|---|---|
| 1 – 2 | Expansión isentrópica en una turbina |
| 2 – 3 | Rechazo de calor a presión constante en un condensador |
| 3 – 4 | Compresión isentrópica en una bomba |
| 4 – 1 | Adición de calor a presión constante en una caldera |
Para el análisis de este ciclo se utilizarán las siguientes ecuaciones:
Eficiencia térmica:
En este caso, Wneto es la potencia desarrollada por el ciclo y Qsuministrado es el calor en la caldera. Ambos parámetros pueden estar dados en términos de la masa (valores específicos) ó en términos de energía únicamente.
Lo anterior se resume de la siguiente manera:
Para el análisis de la turbina, se considera que el proceso es isentrópico, es decir:
Por lo que el análisis por Primera Ley para este dispositivo resulta:
Para el condensador se considera que no hay caída de presión en el fluido, por lo que:
En la bomba el balance de energía será:
Considerando que en la bomba circula líquido saturado:
En un proceso de bombeo:
En la caldera, el balance de energía resultante es:
Aquí se considera que no hay trabajo en este componente, por lo que la ecuación (72) se reduce a:
Otro de los ciclos de vapor que se están utilizando con mayor auge en el mundo es el ciclo combinado, la figura 2 muestra este ciclo.
En México, este ciclo está teniendo mucha demanda y es por ello que se utiliza cada vez más en centrales termoeléctricas de reciente creación. La Figura 3 muestra la presencia del ciclo combinado en México.
Algunos datos interesantes sobre el ciclo combinado se pueden revisar en el siguiente enlace:
Ciclo del gas
Los ciclos de potencia de gas reales son bastante complejos. Para su análisis se utilizan algunas aproximaciones, conocidas comúnmente como suposiciones de aire estándar.
- El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como gas ideal.
- Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.
- El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa.
- El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.
Uno de los ciclos de gas más conocidos es el ciclo Brayton, el cual se muestra en la figura 4.
El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos internamente reversibles:
| Etapa | Proceso |
|---|---|
| 1 – 2 | Compresión isentrópica (en un compresor) |
| 2 – 3 | Adición de calor a presión constante |
| 3 – 4 | Expansión isentrópica (en una turbina) |
| 4 – 1 | Rechazo de calor a presión constante |
Cuando los cambios en las energías cinética y potencial se ignoran, el balance de energía para un proceso en flujo estacionario puede expresarse por unidad de masa como:
Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es:
La eficiencia del ciclo Brayton ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se convierte en:
Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos, por lo que p2=p3 y p4=p1, por lo tanto:
Al sustituir las ecuaciones (78) en (77) y simplificar, se obtiene:
Donde:
La cual se conoce como relación de presión y k es la relación de calores específicos. Un valor para k cuando el fluido es aire es de 1.44.
Ciclo de refrigeración y bombas de calor
El ciclo de refrigeración es quizá uno de los mas utilizados a nivel doméstico, ya que precisamente este ciclo se encuentra implementado en los refrigeradores que están presentes en la mayoría de los hogares en el mundo. Aunado a esto, los supermercados y las tiendas de conveniencia, tienen en uso el ciclo de refrigeración para mantener conservados los productos e incluso, para mantener a temperaturas especiales determinados productos como la carne, la cerveza, el helado, entre otros.
La figura 5 muestra el ciclo de refrigeración por compresión de vapor el cual es el más utilizado alrededor del mundo.
A continuación, se muestran las etapas y procesos que ocurren en cada componente del ciclo.
| Etapa | Proceso |
|---|---|
| 1 – 2 | Compresión isentrópica |
| 2 – 3 | Rechazo de calor al ambiente |
| 3 – 4 | Expansión isoentálpica |
| 4 – 1 | Absorción de calor |
El rendimiento que de un ciclo de refrigeración se obtiene mediante la siguiente ecuación:
En ocasiones, el Qevaporador se denota como QL debido a la sigla en inglés «Low» que significa que el calor se extrae de una fuente ó que la fuente a donde está entrando el calor es de baja temperatura.
Por su parta, Qcondensador se denota como QH por la sigla en inglés «High» que significa que el calor se rechaza a alta temperatura (normalmente mayor a la del ambiente).
Los balances de energía para el análisis del ciclo en cada componente serán:
Para el caso de las bombas de calor cuya función es proporcionar calor a un recinto, el ciclo es inverso al de refrigeración. La Figura 6 muestra el ciclo de una bomba de calor.
El desempeño de una bomba de calor se expresa mediante:
Los balances de energía son los mismos que para el ciclo de refrigeración y el COP de la bomba de calor se puede relacionar con el COP del ciclo de refrigeración como:
Con frecuencia, el desempeño de bombas de calor se expresa en términos del índice de eficiencia de la energía (EER, por sus siglas en inglés). La relación entre EER y el COP para un ciclo de refrigeración es:
Conclusión
En resumen, en esta última clase se revisaron tres de los ciclos termodinámicos más utilizados en la industria ya sea para la generación de potencia o para la generación de frío. Cada ciclo tiene sus características bien definidas y sus aplicaciones en la vida real. Se mostraron los balances de energía y las consideraciones necesarias para el análisis de cada uno de los ciclos dependiendo del tipo de fluido a utilizar. En el caso del ciclo Rankine, el fluido es vapor de agua, en el caso del ciclo Brayton, el fluido es aire y en el caso del ciclo de refrigeración, los fluidos son sustancias refrigerantes que pueden ser naturales o sintéticas.
En los tres casos, se deben calcular las propiedades termofísicas a partir de tablas termodinámicas o de software especializado. Las diferentes consideraciones que se deben tomar en cuenta serán aplicadas de acuerdo a la situación en cuestión, de manera que es aquí donde el estudiante deberá tener práctica y cierto grado de pericia para poder resolver los diferentes tipos de problemas.
Las aplicaciones de estos ciclos son bastas en el área de ingeniería y son tan comunes que es casi seguro que al menos se tenga uno de estos ciclos en casa (por ejemplo, el de refrigeración con el refrigerador). Además, la energía eléctrica que se usa todos los días, proviene de una planta de generación de potencia eléctrica, la cual sin duda pudo haber sido producida por uno de los dos ciclos que se mencionaron aquí (ciclo Rankine ó ciclo combinado).
Por lo anterior, es importante que visualices la importancia del análisis de los ciclos termodinámicos, ya que, sin duda, están presentes en la vida diaria de todos.
Hemos llegado al final de este curso. Me complació mucho ofrecerte estas lecciones y quiero felicitarte por tu esfuerzo y dedicación. Espero que el curso haya cumplido con tus expectativas, que hayas aprendido lo suficiente y que te hayas fortalecido en conceptos y aplicaciones que serán una buena base para tu formación en ingeniería.
Sigue esforzándote para llegar a la meta deseada. Recuerda hacer la tarea asignada y mandarla en tiempo y forma. Espero encontrarte en otra ocasión.
Fuentes de información
- Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
- Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc
- Pedro Landín, Centrales de ciclo combinado, 2012. Última fecha de consulta: 20/07/2021.
- Humberto Peniche Cuevas, Los productores externos de energía. Un balance a 10 años de su participación en el mercado eléctrico mexicano, 2020. Última fecha de consulta: 20/07/2021.
- Idoia Arnabat, Sistemas de refrigeración aire acondicionado: compresión y absorción. Última fecha de consulta: 20/07/2021.