UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO - PUNOFacultad ingeniera mecnica elctrica electrnica y sistemasEscuela Profesional de Ing. Mecnica ElctricaTrabajo De:FUERZA MOTRIZ TERMICATEMA : CICLO CARNOT Y CICLO RANKINE.

Presentado por los estudiantes: OCHOA YUCRA, Ronny Al. Cdigo : 105701 Estudiantes Del: IX SEMESTRE Encargado por el docente : Ing. CAMACHO ASTOQUILCA, Alvaro P.Modelo del TRABAJO: A Continuation.Ao mundial: 2015Fecha : 01 / 06 /2015

CICLO CARNOT:En el siglo XIX el ingeniero francs Nicolas Carnot concibi, estudi y desarroll un ciclo termodinmico, que constituye el ciclo bsico de todos los motores trmicos, en el: Se suministra al motor energa en forma de calor a temperatura elevada. La accin del calor permite realizar un trabajo mecnico al motor. El motor cede calor al foco de temperatura inferior.El ciclo de Carnot es un ciclo terico yreversible, su limitacin es la capacidad que posee un sistema para convertir en calor el trabajo, se utiliza en las mquinas que usan vapor o una mezcla de combustible con aire u oxgeno.Representado en un diagrama p-v se obtiene la siguiente figura:

El ciclo se divide en cuatro etapas, cada una de las cuales se corresponde con una transformacin termodinmica bsica: Etapa A) Expansin isotrmicaEn el grfico es el paso del estado 1 al estado 2. Es un proceso isotermo y por ser un gas perfecto eso hace que la temperatura se mantenga constante T1.El gas se encuentra en un estado deequilibrioinicial representado por p1, V1, T1, en el interior del cilindro. Se produce una expansin isotrmica entre 1 y 2, hasta alcanzar los valores p2, V2, T1, el sistema realiza un trabajo W1positivo (aumenta el volumen, luego es un trabajo hecho por el sistema, trabajo positivo), comunicando energa al

Entorno, por otro lado como la variacin de energa interna ha de ser cero, toma un calor del entorno equivalente Q1:

Etapa B) Expansin adiabticaSe parte del punto 2 y se llega al estado 3.Por ser un proceso adiabtico no hay transferencia de calor, el gas debe realizar un trabajo, elevando elmbolo, para lo que el cilindro debe estar aislado trmicamente, alcanzndose los valores p3, V3, T2. Etapa C) Compresin isotrmicaEntre los estados 3 y 4, hasta alcanzar los valores p4, V4, T2, siendo el trabajo realizado por el pistn. En este caso es un trabajo de compresin (negativo), se recibe energa del entorno en forma de trabajo y se cede una energa equivalente en forma de calor:

Etapa D) Compresin adiabticaEntre los estados 4 y 1 cerrndose el ciclo.Se alcanzan de nuevo los valores p1, V1, T1sin transferencia de calor con el exterior.Consideramos ahora el efecto global del ciclo. Eltrabajo netoW realizado durante el ciclo por el sistema ser el representado por la superficie encerrada en el trayecto 1-2-3-4-1. La cantidadneta de energa calorficarecibida por el sistema ser la diferencia entre Q2y Q1.Para calcular el rendimiento de un ciclo de Carnot se emplea la misma expresin mencionada anteriormente:

En la prctica es mucho ms difcil obtener los valores de los calores trasegados que los valores de la temperatura (en grados Kelvin) de los dos focos, que se conocen por la lectura de un termmetro, y se puede considerar que la transmisin de calor es proporcional a las temperaturas de ambos focos sin que se cometa un error apreciable (recuerda que son gases perfectos y que la variacin de energa interna es fucin exclusiva de la variacin de temperatura) por lo que se puede escribir:

Y por lo tanto se puede expresar el rendimiento como:

El rendimiento de este tipo de mquinas ser mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas del foco caliente T1y el foco fro T2.Existen otros ciclos termodinmicos que tambin poseen el rendimiento mximo aunque se utilizan mucho menos que el de Carnot.CICLO RANKINE:

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoelctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presin del vapor, que se hace incidir sobre los labes de una turbina, donde pierde presin produciendo energa cintica. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se lica, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentar la presin, y ser de nuevo introducido en la caldera.La representacin 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 lquido, en el que prcticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presin. Por ello las isotermas son prcticamente verticales.A la derecha corresponde al estado vapor, aqu 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 est evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es as porqu dada una presin, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporacin.El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas mquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que diriga el vapor a un lado u otro del pistn.

Analicemos ms despacio las etapas del ciclo:

En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo. En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo. La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina. La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V. Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo. Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO: La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse tambin aumentando la presin de operacin en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presin de operacin de la caldera origina un mayor grado de humedad en los ltimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presin procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presin del condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondientediagramatemperatura-entropa aparece en la siguiente figura. Obsrvese en esta figura que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sera ms eficiente que el ciclo con recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor hastael estado1' sin incurrir enproblemasdemateriales. El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar mnimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar eltiempode vida de la turbina. Idealmente podramos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la prctica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequea.

Para una planta de generacin de energa simple de vaporCiclo Rankine ideal con recalentamiento

CICLO RANKINE CON REGENERACIN:

La eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se aade calor distinto al de la temperatura ms alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo. A continuacin se presentan dosmtodos, aunque el primero es muy imprctico. En la figura A el lquido se bombea hacia unos serpentines en la turbina para lograr una transmisin de calor. As, podemos decir que el fluido sufre un incremento de temperatura reversible de a hasta b, mientras que se expande y enfra reversiblemente desde d hasta e. La eficiencia trmica de este ciclo regenerativo es igual a la del ciclo de Carnot. La prueba es que en el ciclo existen tres condiciones: El calor es aadido al ciclo a una temperatura constante TAEl calor es rechazado del ciclo a otra temperatura constante TB.Todos losprocesosson, o los consideramos, reversibles. Ahora, comparando con las condiciones del ciclo de Carnot, vemos que son iguales.Aunque una turbina como la descrita anteriormente se pudiera construir, seria daino para ella ya que aumentara considerablemente la humedad por la disminucin de temperatura.Podemos sugerir unmtodoalternativo, el cual consiste en extraer una pequea porcin del vapor en la turbina, antes de que se expanda completamente. Esta extraccin se mezcla con l lquido proveniente de una primer bomba en un calentador "abierto" o "por contacto". De esta forma podemos incrementar la temperatura del fluido sin decrementar lacalidaddel vapor en la turbina. Si tuviramos una cantidad infinita de puntos de extraccin a diferentes temperaturas en el proceso de expansin, la diferencia de temperaturas entre el vapor extrado y l lquido proveniente de la bomba seria mnima, lo mismo pasara con la irreversibilidad que se produce al mezclar ambos fluidos. Para estesistemahipottico, el calor se transfiere solamente en los puntos donde la temperatura es mxima y mnima. Si tenemos un nmero finito de puntos de extraccin la irreversibilidad de lasmezclashace que exista una prdida de energa. Aunque estas prdidas se den, la eficiencia trmica de un ciclo regenerativo irreversible puede ser mayor que un ciclo Rankine reversible comn. Esto es posible gracias a que en un ciclo regenerativo el calor se aade a una temperatura promedio ms alta, y por eso un mayor porcentaje de este calor puede ser convertido en trabajo. Dado que la mayor prdida de energa de una planta depotenciase presenta en el condensador, en donde se desecha calor al medio enfriador, es pertinente considerar mtodos de reducir este calor desechado y de mejorar la eficiencia del ciclo. El mtodo ms deseable de calentamiento del condensador seria uno que fuera reversible y continuo. Suponiendo que esto fuera posible el diagrama T-S estara representado por la figura siguiente:

En este diagrama se considera que el vapor est saturado al inicio de la expansin. La curva 4-5 es paralela a la 3-6 puesto que se postul que el calentamiento es reversible. Se observara que el incremento de Entropa durante el calentamiento es igual a la disminucin durante la expansin y enfriamiento del vapor, y que el rea 4, 5, 6,3 es igual al rea 1, 2, 3, 6,7. En la prctica, este ciclo ideal se obtiene de forma aproximada permitiendo que el condensado de la bomba dealimentacinse caliente en un calentador o en calentadores separados por el vapor que se extrae de la turbina despus que este se ha expandido en forma parcial y ha realizado un trabajo. El vapor extrado de la turbina puede mezclarse directamente con el condensado (como en un calentador abierto) o bien intercambiar calor en forma directa y condensar (como en un calentador cerrado)