procesos

 


CICLOS DE VAPOR
Introducción
Presentaremos los diversos ciclos de vapor que se utilizan habitualmente. Para una mejor comprensión utilizaremos diagrama de bloques, diagramas presión-volumen y diagramas T-S.
El diagrama de bloques muestra el proceso a seguir utilizando bloques que representan los elementos físicos del proceso.
El diagrama presión-volumen nos muestra los principalescambios (presión-volumen) que ocurren a lo largo de todo el proceso.
Los diagramas T-S relacionan las variaciones temperatura, entropía. Estos últimos son muy útiles para comprender los intercambios de calor, procesos con irreversibilidades y también comparar con los diagramas de Carnot correspondientes.
1. Ciclo Abiertos
2. Ciclo Rankine

1. Ciclo Abiertos
Fue el primer ciclo de vapor autilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial). Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques







Esquema bloques de ciclo de vapor abierto
Este ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene agua para la caldera (1). La bomba toma elagua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión de la caldera).
En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle, formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1.. Luego el vapor(a presión) es conducido al motor donde se expande, produciendo el trabajo W.El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100ºC.








Diagrama p-V de ciclo de vapor abierto
En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca delnúmero correspondiente): En (1) el agua del depósito es líquido subsaturado. La bomba aumenta su presión hasta es estado (2). Como lo que se comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente inferior al de (1). Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza primero el estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana de cambio de fase) y luego comienza la ebullicióndentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la caldera en el estado (3), como vapor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente inferior a x=1). Luego se expande en la máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la atmósfera.
Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas latemperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC)







Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto
En diagrama T-S el ciclo abierto se describe como sigue: El agua está inicialmente a T ambiente y en estado líquido (1), luego la bomba lo comprime hasta el estado (2). En teoría esta compresión es isentrópica (adiabática), en realidadla entropía aumenta un poco. En todo caso, los estados (1) y (2) están muy cercas (la temperatura apenas sube). Al inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se expande en el motor,generando el trabajo W. Esta expansión en teoría es adiabática. El vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 100ºC. Luego este vapor condensa en la atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.







Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto, incluyendo ciclo de Carnot correspondiente
Para efectos de comparación, el...