ciclos vapor

Tema 11 - CICLOS CON VAPOR

1. CICLOS DE RANKINE
1.1

RENDIMIENTOS DE MÁQUINAS BITERMAS

Los ciclos con circulación son sistemas abiertos interconectados, que realizan procesos
estacionarios.

•

Ciclos de potencia: objetivo, producir trabajo
η=

•

Tf
W
≤ 1−
T0
COP =

1.2
1.2.1

Qc
Tc
≤
W Tc − T f

[11.3]

FLUIDOS EMPLEADOS EN CICLOS DE VAPOR
Criterios deelección del fluido

Seguridad: no tóxico, ininflamable, no explosivo, no irritante…
Coste de la inversión y operación: precio barato; alto calor latente de vaporización (menor tamaño, luego menor coste); presiones de saturación ni muy altas ni muy bajas en el
rango de temperaturas (presiones extremas aumentan el coste de la instalación)…
Mantenimiento: insoluble en lubricantes, inactivoquímicamente, no corrosivo…

CAMPUS TECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA
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Tema 11 - Ciclos con Vapor

Condiciones fisicoquímicas: no debe solidificar en el rango de T; bajaviscosidad (reduce irreversibilidades)...
1.2.2

Fluidos empleados

Ciclos de potencia: casi siempre agua, cumple todos los requisitos.

•

Tratamiento químico: desalinización, eliminación de O2 disuelto, eliminación de
microorganismos…

Ciclos frigoríficos y bomba de calor: fluor-cloro-carbonos (‘freones’), han desplazado al
NH3 por su no toxicidad; efectos medioambientales indeseablesNomenclatura de los freones: ‘Regla del 90’: R-xy = CXHYFZCl(ajuste)

xy + 90 = XYZ
1.3

CICLO DE RANKINE SIMPLE

1.3.1

Ciclo ideal teórico

El ciclo ideal teórico entre 2 focos es el ciclo de Carnot (máximo rendimiento posible):
dos procesos isotermos de intercambio de calor con los focos, y dos procesos adiabáticos para pasar de una a otra temperatura.
En ciclos de potencia (ecuación[11.1]) interesa: Tf baja, Tc alta

•

Tf > T0, el foco frío es normalmente el ambiente.

•

Tc < Tmáx, máxima T que soportan los materiales: aceros al C: 540 °C; aceros inoxidables austeníticos: 600 °C o más (más caros).

En ciclos frigoríficos (ecuación [11.2]) interesa: Tc – Tf baja, Tf alta

•

Tf depende de la aplicación

•

Tc > T0, el foco caliente es el ambiente

En laFigura 11.1 se muestran esquemáticamente las dificultades para llevar a la práctica
el ciclo ideal teórico: con un gas, es difícil realizar procesos isotermos de intercambio
de calor (expansión y compresión isoterma); con un vapor esto se soluciona (los intercambios de calor isotermos se pueden realizar con evaporación o condensación isobara),
pero los procesos de expansión y compresiónadiabática de un fluido bifásico tienen
dificultades prácticas (procesos de cavitación).

Ciclos de Rankine

T

225

c

T
difícil
de
realizar

c
cavitación

s

s

Figura 11.1 – Ciclo ideal teórico (de Carnot) con con un gas o con un vapor: dificultades principales.
1.3.2

Ciclo ideal práctico: Ciclo de Rankine

En la Figura 11.2 se muestra el ciclo ideal práctico con vapor,llamado ciclo de Rankine.
Se sustituyen los procesos isotermos de absorción o cesión de calor por procesos isobaros (que serán también isotermos en parte, por tratarse de un vapor).

1

2

T

1
4

Ciclo de potencia
4
3

2

3

s

2

T

3

2

3
4

1
s

Ciclo frigorífico
4

1

Figura 11.2 – Ciclo ideal práctico (de Rankine) con un vapor: ciclo de potencia yciclo frigorífico.

En un ciclo de potencia con vapor las etapas son las siguientes:

•

1–2: expansión adiabática en turbina. Hay un límite práctico en el título del estado 2
(por erosión de los álabes de turbina, debida a la presencia de gotas de líquido): x2 >
0,85. Aquí se produce la gran parte del trabajo del ciclo.

•

2–3: condensación isobara en condensador. El calor retirado...