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Tipos de motores de calor

En general, los motores térmicos se clasifican según una ubicación de combustión como:

• Motor de combustión externa. Por ejemplo, las máquinas de vapor son motores de combustión externa, donde el fluido de trabajo está separado de los productos de combustión.
• Motor de combustión interna. Un ejemplo típico de motor de combustión interna es un motor utilizado en  automóviles , en el cual la alta temperatura se logra al quemar la mezcla de gasolina y aire en el cilindro mismo.

La categorización detallada se basa en un fluido de trabajo utilizado en el ciclo termodinámico:

• Ciclos de gas. En estos ciclos, el fluido de trabajo es siempre un gas. El ciclo Otto y el ciclo Diesel (usado en automóviles) también son ejemplos típicos de ciclos de solo gas. Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también basados ​​en el ciclo de solo gas, siguen el ciclo de Brayton.
• Ciclos de líquidos. Los ciclos de solo líquido son bastante exóticos. En estos ciclos, el fluido de trabajo es siempre un líquido. El motor líquido Malone es un ejemplo de ciclo de solo líquido. El motor líquido Malone fue una modificación del ciclo de Stirling, utilizando agua como fluido de trabajo en lugar de gas.
• Ciclos con cambios de fase. Los motores de vapor son ejemplos típicos de motores externos con cambio de fase del fluido de trabajo.

Ejemplo de motor térmico

Los motores de vapor y los refrigeradores son ejemplos típicos de motores externos con cambio de fase de fluido de trabajo. El ciclo termodinámico típico utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine , que generalmente usa agua como fluido de trabajo.

El ciclo de Rankine describe de cerca los procesos en motores de calor operados por vapor que se encuentran comúnmente en la mayoría de las centrales térmicas . Las fuentes de calor utilizadas en estas centrales eléctricas suelen ser la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural o también la fisión nuclear .

Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Por lo tanto, las centrales nucleares suelen tener una eficiencia de aproximadamente el 33%. En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

De acuerdo con el principio de Carnot, se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. Desde este punto de vista, los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales). Los SCWR funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa).

Eficiencia térmica

Un motor térmico ideal es un motor imaginario en el que la energía extraída como calor del depósito de alta temperatura se convierte por completo en trabajo. Pero de acuerdo con la declaración de Kelvin-Planck , tal motor violaría la segunda ley de la termodinámica, porque debe haber pérdidas en el proceso de conversión. El calor neto agregado al sistema debe ser mayor que el trabajo neto realizado por el sistema.

Declaración de Kelvin-Planck:

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la producción de trabajo y la transferencia de calor de un solo cuerpo”.

Fórmula de eficiencia térmica

Como resultado de esta declaración, se define el rendimiento térmico , η _º , de cualquier motor térmico como la relación entre el trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo . Es una medida de rendimiento sin dimensiones de un motor térmico que utiliza energía térmica, como una turbina de vapor, un motor de combustión interna o un refrigerador. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Como es un número adimensional, siempre debemos expresar W, Q _H y Q _C en las mismas unidades.

Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámicay la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Para dar la eficiencia como un porcentaje, multiplicamos la fórmula anterior por 100. Tenga en cuenta que, η _th podría ser 100% solo si el calor residual Q _C será cero.

En general, la eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es bastante baja. En resumen, es muy difícil de convertir la energía térmica a la energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser inferiores al 50% y, a menudo, muy inferiores. Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidráulica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

Causas de ineficiencia

Como se discutió, una eficiencia puede variar entre 0 y 1. Cada motor térmico es de alguna manera ineficiente. Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas.

• Irreversibilidad de los procesos . Existe un límite superior teórico general para la eficiencia de la conversión de calor para trabajar en cualquier motor térmico. Este límite superior se llama eficiencia de Carnot . Según el principio de Carnot , ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura. Por ejemplo, cuando el depósito caliente tiene T _caliente de 400 ° C (673K) y T _frío de aproximadamente 20 ° C (293K), la eficiencia máxima (ideal) será: = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 293 / 673 = 56%. Pero todos los procesos termodinámicos reales son de alguna manera irreversibles.. No se hacen infinitamente lento. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que usan.
• Presencia de fricción y pérdidas de calor. En sistemas termodinámicos reales o en motores de calor real, una parte de la ineficiencia general del ciclo se debe a las pérdidas de los componentes individuales. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores), una fricción mecánica , pérdidas de calor y pérdidas en el proceso de combustión causan pérdidas adicionales de eficiencia.
• Ineficiencia de diseño . Finalmente, la última y también importante fuente de ineficiencias son los compromisos asumidos por los ingenieros al diseñar un motor térmico (por ejemplo, una central eléctrica). Deben considerar el costo y otros factores en el diseño y operación del ciclo. Como ejemplo, considere un diseño del condensador en las centrales térmicas. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento . Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

Eficiencia térmica y la segunda ley

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.

• Declaración de Clausius
• Declaración de Kelvin-Planck
• La entropía y la segunda ley

Antes de estas declaraciones, tenemos que recordar el trabajo de  un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley al formar un principio ( también llamado regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .

Eficiencia Térmica de Motores de Calor

En general, la eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es bastante baja. En resumen, es muy difícil convertir la energía térmica en energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser inferiores al 50% y, a menudo, muy inferiores.

Es fácil producir energía térmica haciendo trabajo, por ejemplo, mediante cualquier proceso de fricción. Pero obtener trabajo de la energía térmica es más difícil. Está estrechamente asociado con el concepto de entropía , que cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Por ejemplo, la electricidad es particularmente útil ya que tiene una entropía muy baja (está altamente ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente . Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidroeléctrica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

La eficiencia térmica de varios motores térmicos diseñados o utilizados hoy en día tiene una amplia gama:

Por ejemplo:

Transporte

• A mediados del siglo XX, una locomotora de vapor típica tenía una eficiencia térmica de aproximadamente el 6% . Eso significa que por cada 100 MJ de carbón quemado, se produjeron 6 MJ de potencia mecánica.
• Un motor automotriz de gasolina típico opera alrededor del 25% al ​​30% de la eficiencia térmica. Aproximadamente 70-75% se rechaza como calor residual sin convertirse en trabajo útil, es decir, trabajo entregado a las ruedas.
• Un motor automotriz diesel típico opera alrededor del 30% al 35% . En general, los motores que utilizan el ciclo Diesel suelen ser más eficientes.
• En 2014, se introdujeron nuevas regulaciones para los autos de Fórmula 1 . Estas regulaciones de automovilismo han empujado a los equipos a desarrollar unidades de potencia altamente eficientes. Según Mercedes, su unidad de potencia ahora está logrando más del 45% y cerca del 50% de eficiencia térmica, es decir, el 45 – 50% de la energía potencial en el combustible se entrega a las ruedas.
• El motor diesel tiene la mayor eficiencia térmica de cualquier motor de combustión práctico. Los motores diesel de baja velocidad (como se usan en los barcos) pueden tener una eficiencia térmica que excede el 50% . El motor diésel más grande del mundo alcanza el 51,7%.

Ingeniería de la Energía

• Conversión de energía térmica oceánica (OTEC). OTEC es un motor térmico muy sofisticado que utiliza la diferencia de temperatura entre las aguas marinas superficiales más frías y más cálidas para hacer funcionar una turbina de baja presión. Dado que la diferencia de temperatura es baja , aproximadamente 20 ° C, su eficiencia térmica también es muy baja, aproximadamente 3% .
• En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor . Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor.. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares .
• Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.
• Los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los actuales LWR).
• Las plantas de energía de combustible fósil supercrítico, que funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa), tienen una eficiencia de alrededor del 43% . Las centrales eléctricas de carbón más eficientes y también muy complejas que funcionan a presiones “ultra críticas” (es decir, alrededor de 30 MPa) y usan recalentamiento de etapas múltiples alcanzan aproximadamente el 48% de eficiencia.
• Las plantas modernas de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT), en las que el ciclo termodinámico consta de dos ciclos de planta de energía (por ejemplo, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine), pueden lograr una eficiencia térmica de alrededor del 55% , en contraste con un ciclo de vapor único planta de energía que se limita a eficiencias de alrededor del 35-45%.

Eficiencia térmica del ciclo de Brayton

Supongamos el ciclo Brayton ideal que describe el funcionamiento de un motor de calor a presión constante . Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

1. 

   Compresión isentrópica : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y entrega su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rechazo de calor isobárico : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia termodinámica) tales ciclos (de manera similar para el ciclo de Rankine ) usando entalpías .

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo Brayton (compresor simple y turbina simple), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía .

Hay expresiones en términos de variables más familiares como temperatura y presión :

dH = C _p dT + V (1-αT) dp

Donde C _p es la capacidad calorífica a presión constante y α es el coeficiente de expansión térmica (cúbica). Para gas ideal αT = 1 y por lo tanto:

dH = C _p dT

A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁   → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁     → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. La eficiencia térmica de un ciclo Brayton tan simple, para gas ideal y en términos de entalpías específicas, ahora se puede expresar en términos de temperaturas:

Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine describe de cerca los procesos en motores de calor operados por vapor que se encuentran comúnmente en la mayoría de las centrales térmicas . Las fuentes de calor utilizadas en estas centrales eléctricas suelen ser la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural o también la fisión nuclear .

Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Motores de calor

Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro .

En general, es fácil producir energía térmica haciendo trabajo , por ejemplo, mediante cualquier proceso de fricción. Pero obtener trabajo de la energía térmica es más difícil . Está estrechamente asociado con el concepto de entropía . Por ejemplo, la electricidad es particularmente útil ya que tiene una entropía muy baja (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente .

A veces, la energía mecánica está directamente disponible, por ejemplo, la energía eólica y la energía hidroeléctrica. Pero la mayor parte de nuestra energía proviene de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de reacciones nucleares . En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante del mundo. Pero la quema de combustibles fósiles genera solo energía térmica , por lo tanto, estas fuentes de energía se denominan ” fuentes de energía primaria “, que deben convertirse en fuente de energía secundaria , los llamados portadores de energía ( energía eléctrica, etc.). Para convertir la energía térmica en otra forma de energía, un motor térmico debe ser usado.

En general, un motor térmico es un dispositivo que convierte la energía química en calor o energía térmica y luego en energía mecánica o eléctrica.

Muchos motores térmicos  funcionan de manera cíclica, agregando energía en forma de calor en una parte del ciclo y utilizando esa energía para realizar un trabajo útil en otra parte del ciclo.
Por ejemplo, como es típico en todas las centrales térmicas convencionales ,  el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Los generadores de vapor, turbinas de vapor, condensadores y bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico , sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es aproximadamenteun tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

Motores de calor y la segunda ley

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.

• Declaración de Clausius
• Declaración de Kelvin-Planck
• La entropía y la segunda ley

Antes de estas declaraciones, tenemos que recordar el trabajo de  un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley al formar un principio ( también llamado regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .

Ejemplo de motor térmico

Los motores de vapor y los refrigeradores son ejemplos típicos de motores externos con cambio de fase de fluido de trabajo. El ciclo termodinámico típico utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine , que generalmente usa agua como fluido de trabajo.

El ciclo de Rankine describe de cerca los procesos en motores de calor operados por vapor que se encuentran comúnmente en la mayoría de las centrales térmicas . Las fuentes de calor utilizadas en estas centrales eléctricas suelen ser la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural o también la fisión nuclear .

Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Por lo tanto, las centrales nucleares suelen tener una eficiencia de aproximadamente el 33%. En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

De acuerdo con el principio de Carnot, se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. Desde este punto de vista, los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales). Los SCWR funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa).

Eficiencia Térmica de Motores de Calor

En general, la eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es bastante baja. En resumen, es muy difícil convertir la energía térmica en energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser inferiores al 50% y, a menudo, muy inferiores.

Es fácil producir energía térmica haciendo trabajo, por ejemplo, mediante cualquier proceso de fricción. Pero obtener trabajo de la energía térmica es más difícil. Está estrechamente asociado con el concepto de entropía , que cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Por ejemplo, la electricidad es particularmente útil ya que tiene una entropía muy baja (está altamente ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente . Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidroeléctrica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

La eficiencia térmica de varios motores térmicos diseñados o utilizados hoy en día tiene una amplia gama:

Por ejemplo:

Transporte

• A mediados del siglo XX, una locomotora de vapor típica tenía una eficiencia térmica de aproximadamente el 6% . Eso significa que por cada 100 MJ de carbón quemado, se produjeron 6 MJ de potencia mecánica.
• Un motor automotriz de gasolina típico opera alrededor del 25% al ​​30% de la eficiencia térmica. Aproximadamente 70-75% se rechaza como calor residual sin convertirse en trabajo útil, es decir, trabajo entregado a las ruedas.
• Un motor automotriz diesel típico opera alrededor del 30% al 35% . En general, los motores que utilizan el ciclo Diesel suelen ser más eficientes.
• En 2014, se introdujeron nuevas regulaciones para los autos de Fórmula 1 . Estas regulaciones de automovilismo han empujado a los equipos a desarrollar unidades de potencia altamente eficientes. Según Mercedes, su unidad de potencia ahora está logrando más del 45% y cerca del 50% de eficiencia térmica, es decir, el 45 – 50% de la energía potencial en el combustible se entrega a las ruedas.
• El motor diesel tiene la mayor eficiencia térmica de cualquier motor de combustión práctico. Los motores diesel de baja velocidad (como se usan en los barcos) pueden tener una eficiencia térmica que excede el 50% . El motor diésel más grande del mundo alcanza el 51,7%.

Ingeniería de la Energía

• Conversión de energía térmica oceánica (OTEC). OTEC es un motor térmico muy sofisticado que utiliza la diferencia de temperatura entre las aguas marinas superficiales más frías y más cálidas para hacer funcionar una turbina de baja presión. Dado que la diferencia de temperatura es baja , aproximadamente 20 ° C, su eficiencia térmica también es muy baja, aproximadamente 3% .
• En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor . Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor.. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares .
• Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.
• Los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los actuales LWR).
• Las plantas de energía de combustible fósil supercrítico, que funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa), tienen una eficiencia de alrededor del 43% . Las centrales eléctricas de carbón más eficientes y también muy complejas que funcionan a presiones “ultra críticas” (es decir, alrededor de 30 MPa) y usan recalentamiento de etapas múltiples alcanzan aproximadamente el 48% de eficiencia.
• Las plantas modernas de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT), en las que el ciclo termodinámico consta de dos ciclos de planta de energía (por ejemplo, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine), pueden lograr una eficiencia térmica de alrededor del 55% , en contraste con un ciclo de vapor único planta de energía que se limita a eficiencias de alrededor del 35-45%.

Principio de Carnot – La regla de Carnot

En 1824, un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley al formar un principio (también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener. En resumen, el principio de Carnot  establece que la eficiencia de un ciclo termodinámico depende únicamente de la diferencia entre los depósitos de temperatura caliente y fría.

El principio de Carnot establece:

1. Ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura.
2. Las eficiencias de todos los motores reversibles (motores de calor Carnot ) que funcionan entre los mismos depósitos de temperatura constante son los mismos, independientemente de la sustancia de trabajo empleada o los detalles de operación.

Eficiencia de Carnot

La fórmula para esta máxima eficiencia es:

dónde:

• es la eficiencia del ciclo de Carnot, es decir, es la relación = W / Q _H del trabajo realizado por el motor a la energía térmica que ingresa al sistema desde el depósito caliente.
• T _C es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito frío,
• T _H es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito caliente.

Eficiencia de Carnot – Eficiencia de Carnot Heat Engine

En 1824, un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley al formar un principio (también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener. En resumen, este principio establece que la eficiencia de un ciclo termodinámico depende únicamente de la diferencia entre los depósitos de temperatura caliente y fría.

El principio de Carnot establece:

1. Ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura.
2. Las eficiencias de todos los motores reversibles (motores de calor Carnot ) que funcionan entre los mismos depósitos de temperatura constante son los mismos, independientemente de la sustancia de trabajo empleada o los detalles de operación.

Eficiencia de Carnot

La fórmula para esta máxima eficiencia es:

dónde:

• es la eficiencia del ciclo de Carnot, es decir, es la relación = W / Q _H del trabajo realizado por el motor a la energía térmica que ingresa al sistema desde el depósito caliente.
• T _C es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito frío,
• T _H es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito caliente.

Expansión Isotérmica – Compresión Isotérmica

Ver también: ¿Qué es un gas ideal?

Ejemplo de proceso isotérmico

Suponga una expansión isotérmica de helio (i → f) en un pistón sin fricción (sistema cerrado). La expansión del gas es impulsada por la absorción de energía térmica Q _add . El gas se expande desde el volumen inicial de 0.001 m ³ y simultáneamente la carga externa del pistón disminuye lenta y continuamente de 1 MPa a 0.5 MPa. Dado que el helio se comporta casi como un gas ideal, use la ley del gas ideal para calcular el volumen final de la cámara y luego calcule el trabajo realizado por el sistema, cuando la temperatura del gas es igual a 400 K.

Solución:

El volumen final del gas, V _f , puede calcularse utilizando la relación p, V, T para el proceso isotérmico:

p _i V _i = p _f V _f ⇒ V _f = p _i V _i / p _f = 2 x 0.001 m ³ = 0.002 m ³

Para calcular tales procesos, necesitaríamos saber cómo la presión varía con el volumen para el proceso real por el cual el sistema cambia del estado i al estado f . Como durante este proceso la presión interna no fue constante, el trabajo p∆V realizado por el pistón debe calcularse utilizando la siguiente integral:

Por convención, un valor positivo para el trabajo indica que el trabajo lo realiza el sistema en su entorno. Un valor negativo indica que el trabajo se realiza en el sistema por su entorno. El trabajo pΔV es igual al área bajo la curva de proceso trazada en el diagrama de presión-volumen.

Proceso adiabático

Un proceso adiabático es un proceso termodinámico , en el que no hay transferencia de calor dentro o fuera del sistema (Q = 0). El sistema puede considerarse perfectamente aislado . En un proceso adiabático, la energía se transfiere solo como trabajo. La suposición de que no hay transferencia de calor es muy importante, ya que podemos usar la aproximación adiabática solo en procesos muy rápidos . En estos procesos rápidos, no hay tiempo suficiente para que la transferencia de energía como calor tenga lugar hacia o desde el sistema.

En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) se producen pérdidas de calor y pérdidas en el proceso de combustión, pero estas pérdidas suelen ser bajas en comparación con el flujo de energía general y podemos aproximar algunos procesos termodinámicos por el proceso adiabático.

Curva adiabática – Adiabat

Ver también: ¿Qué es un gas ideal?

En un gas ideal , las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales , la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen .

pV = nRT

dónde:

• p es la presión absoluta del gas
• n es la cantidad de sustancia
• T es la temperatura absoluta
• V es el volumen
• R  es la constante de gas ideal, o universal, igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,

En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.

El proceso adiabático  se puede expresar con la ley de los gases ideales como:

pV ^κ = constante

o

p ₁ V ₁ ^κ = p ₂ V ₂ ^κ

en el que κ = c _p / c _v es la relación de los calores específicos (o capacidades de calor ) para el gas. Uno para presión constante (c _p ) y otro para volumen constante (c _v ) . Tenga en cuenta que esta relación κ  = c _p / c _v es un factor para determinar la velocidad del sonido en un gas y otros procesos adiabáticos.

Otra relación p, V, T

En un diagrama pV , el proceso ocurre a lo largo de una línea (llamada adiabat ) que tiene la ecuación p = constante / V ^κ . Para un proceso ideal de gas y politrópico, el caso n = κ corresponde a un proceso adiabático.  

Proceso adiabático

Un proceso adiabático es un proceso termodinámico , en el que no hay transferencia de calor dentro o fuera del sistema (Q = 0). El sistema puede considerarse perfectamente aislado . En un proceso adiabático, la energía se transfiere solo como trabajo. La suposición de que no hay transferencia de calor es muy importante, ya que podemos usar la aproximación adiabática solo en procesos muy rápidos . En estos procesos rápidos, no hay tiempo suficiente para que la transferencia de energía como calor tenga lugar hacia o desde el sistema.

En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) se producen pérdidas de calor y pérdidas en el proceso de combustión, pero estas pérdidas suelen ser bajas en comparación con el flujo de energía general y podemos aproximar algunos procesos termodinámicos por el proceso adiabático.

Expansión Gratis – Expansión Joule

Estos son procesos adiabáticos en los que no se produce transferencia de calor entre el sistema y su entorno y no se realiza ningún trabajo en el sistema. Estos tipos de procesos adiabáticos se denominan expansión libre . Es un proceso irreversible en el que un gas se expande en una cámara de evacuación aislada. También se llama expansión Joule . Para un gas ideal, la temperatura no cambia (ver: Segunda Ley de Joule ), sin embargo, los gases reales experimentan un cambio de temperatura durante la expansión libre. En expansión libre, Q = W = 0, y la primera ley requiere que:

dE _int = 0

No se puede trazar una expansión libre en un diagrama PV, porque el proceso es rápido, no cuasiestático. Los estados intermedios no son estados de equilibrio y, por lo tanto, la presión no está claramente definida.