Calor
La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.
En la gráfica, el vapor es la llamada fase gaseosa, encerrada, por la línea vertical que representa la Temperatura crítica y las curvas azul (curva de vaporización) y roja curva de sublimación, que representan los modos en que una materia líquida o sólida se convierte en vapor.
El vapor sobrecalentado es el gas que se encuentra por encima de su temperatura crítica pero por debajo de su presión crítica.
Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua, gas que se produce por ebullición cuando el agua se calienta a 100 °C y una atmósfera de presión, o fuera de esa temperatura de cambio de estado, cuando el agua se encuentra, a cualquier temperatura por debajo de la crítica, a una presión por debajo de su presión de vapor a esa temperatura (ese es el fenómeno de la evaporación).
El diagrama T-S de un
ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.
En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportada por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).
El calor
está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos
o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas,
sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa
simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre
desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura,
ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio
térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.
Transferencia de Calor
En
física, la transferencia de calor
es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de
menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido,
está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la
transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor
o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno
alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un
cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la
termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en
proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo
puede hacerse más lenta.
Los modos son los
diferentes tipos de procesos de transferencia de calor. Hay tres tipos:
- Conducción: transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido o un fluido- cuando existe un gradiente de temperatura.
- Convección: transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes temperaturas.
- Radiación: en ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas
Vapor (estado)
El estado de vapor es la
fase gaseosa de una sustancia cuando ésta se encuentra por debajo de su
temperatura crítica (el estado de vapor es un estado de agregación de la
materia en el que las moléculas interaccionan sólo débilmente entre sí, sin
formar enlaces moleculares adoptando la forma y el volumen del recipiente que
las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible).
En la gráfica, el vapor es la llamada fase gaseosa, encerrada, por la línea vertical que representa la Temperatura crítica y las curvas azul (curva de vaporización) y roja curva de sublimación, que representan los modos en que una materia líquida o sólida se convierte en vapor.
El vapor sobrecalentado es el gas que se encuentra por encima de su temperatura crítica pero por debajo de su presión crítica.
No hay que confundirlo con
el concepto de gas, aunque se suela utilizar ambos indistintamente. El término
«vapor» se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por
presurización a temperatura constante o por enfriamiento a presión constante, mientras
que un gas perfecto requiere el proceso de licuefacción, para pasar al estado
líquido.
Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua, gas que se produce por ebullición cuando el agua se calienta a 100 °C y una atmósfera de presión, o fuera de esa temperatura de cambio de estado, cuando el agua se encuentra, a cualquier temperatura por debajo de la crítica, a una presión por debajo de su presión de vapor a esa temperatura (ese es el fenómeno de la evaporación).
Ciclo de Rankine
El ciclo de Rankine es un
ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como
cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia
termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos
(límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su
nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico
escocés William John Macquorn Rankine.
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Diagrama T-s del ciclo |
El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está
formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la
turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e
internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de
carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo
quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor
sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido
saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes
para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):
- Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
- Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
- Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
- Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal
descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el
condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría
una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de
la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al
proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al
ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de
la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una
influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.
En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportada por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).
