Generación de potencia y ciclos de refrigeración.

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Unidad I: Generación de Potencia y Ciclos de Refrigeración.

Introducción:
Dos importantes áreas de aplicación de la termodinámica son la generación de potencia y la refrigeración, ambas se llevan a cabo mediante sistemas que operan en un ciclo termodinámico. Los dispositivos o sistemas para producir una salida de potencia reciben el nombre de maquinas (son todos aquellos sistemas quefuncionando periódicamente sean susceptibles de transformar calor en trabajo ) y los ciclos termodinámicos en los que operan se denominan ciclos de potencia, La condición básica para el estudio de estas máquinas reside en el Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, las máquinas térmicas toman calor de un foco a temperatura TH (fuente) y ceden una fracción del mismo a otro foco a menortemperatura TL (sumidero), transformando el resto en trabajo.
Los dispositivos o sistema para producir un efecto de refrigeración se llaman refrigeradores, acondicionadores de aire o bombas de calor y los ciclos en los que operan reciben el nombre de ciclos de refrigeración.
Los ciclos que se llevan a cabo en los dispositivos reales son difíciles de analizar debido a la presencia de efectoscomplicados como la fricción y la falta de tiempo suficiente para establecer las condiciones de equilibrio durante el ciclo.
Para hacer factible el estudio de estos ciclos es necesario mantener estas complejidades en un nivel manejable y utilizar algunas idealizaciones consiguiéndose un ciclo que se parece en gran medida al real pero que esta formado en su totalidad de procesos internamentereversibles, tal ciclo recibe el nombre de ciclo ideal

Sección I.1 Generación de potencia a partir del calor
Ciclos de Vapor
En estos ciclos el fluido de trabajo permanece como vapor una parte del ciclo y como líquido durante otra.
Ciclo de Carnot:
El ciclo reversible mas conocido es el ciclo de Carnot, la maquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot se llama maquina térmica deCarnot, cuyo ciclo se compone de cuatro procesos reversibles dos isotérmicos y dos adiabáticos y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estable. Consideremos un ciclo de Carnot de flujo estable, los cuatro procesos reversibles que conforman el ciclo de Carnot son los siguientes:

Proceso 1 – 2: Compresión isentrópica en una bomba (ver figura 1). El implica la compresión de unamezcla liquido-vapor hasta un liquido saturado.

Proceso 2 – 3: El fluido se calienta de manera reversible e isotérmica mente en la caldera, en donde el fluido pasa de líquido saturado a vapor saturado.

Proceso 3 – 4: Se produce una expansión isentrópica en la turbina, la calidad del vapor disminuye en este proceso.

Proceso 4 – 1: Se condensa reversiblemente e isotérmicamente en uncondensador, aqui se condensa una parte del vapor.

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El ciclo de Carnot es el ciclo más eficiente que puede ejecutarse entre una fuente de energía térmica a temperatura TH y un sumidero a temperatura TL y su eficiencia térmica se expresa como:

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El valor real del ciclo d e Carnot reside en que es el estándar contra el cual pueden compararse ciclos reales o ideales. Laeficiencia térmica de un ciclo de Carnot es función de las temperaturas del sumidero y de la fuente por lo tanto, la eficiencia térmica aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual se suministra calor hacia el sistema o con una disminución en la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza del sistema.

El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona elconsumo de calor con la producción de trabajo. Debe su nombre a su desarrollador, el físico y filósofo escocés William John Macquorn Rankine. Es el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor (centrales eléctricas de vapor), esta compuesto de cuatro procesos (ver Figura 1), los cuales son:


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Figura 1.


|Proceso 1 – 2: |Compresión isentrópica en una bomba: El agua entra...
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