¿Qué es la eficiencia de Carnot? – Eficiencia del motor de calor de Carnot – Definición

Ejemplo: eficiencia de Carnot para una central eléctrica de carbón

En una moderna planta de energía de carbón , la temperatura del vapor de alta presión (T _caliente ) sería de unos 400 ° C (673K) y T _frío , la temperatura de agua de la torre de refrigeración, sería de alrededor de 20 ° C (293 K). Para este tipo de planta de energía, la eficiencia máxima (ideal) será:

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 293/673 = 56%

Debe agregarse, esta es una eficiencia idealizada . La eficiencia de Carnot es válida para procesos reversibles. Estos procesos no pueden lograrse en ciclos reales de centrales eléctricas. La eficiencia de Carnot dicta que se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Esta característica es válida también para ciclos termodinámicos reales. 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. 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%. Diseños supercríticos, que funcionan a presión supercrítica(es decir, superior a 22.1 MPa), tienen eficiencias 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.

Ver también: Reactor supercrítico

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.