{"id":50067,"date":"2020-01-09T13:14:33","date_gmt":"2020-01-09T12:14:33","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/que-es-la-mejora-de-la-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicion\/"},"modified":"2020-01-09T13:17:12","modified_gmt":"2020-01-09T12:17:12","slug":"que-es-la-mejora-de-la-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/es\/que-es-la-mejora-de-la-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicion\/","title":{"rendered":"\u00bfQu\u00e9 es la mejora de la eficiencia t\u00e9rmica? Ciclo Rankine – Definici\u00f3n"},"content":{"rendered":"
\n
Mejora de la eficiencia t\u00e9rmica – Ciclo Rankine.\u00a0Existen varios m\u00e9todos, \u00bfc\u00f3mo puede mejorar la eficiencia t\u00e9rmica del ciclo de Rankine?\u00a0Ingenieria termal<\/div>\n<\/div>\n
<\/div>\n
\n
\n
<\/div>\n

Eficiencia t\u00e9rmica del ciclo de Rankine<\/h2>\n

En general, la\u00a0eficiencia t\u00e9rmica<\/strong><\/a>\u00a0,\u00a0<\/a>\u03b7\u00a0<\/em><\/strong><\/a>\u00ba<\/sub><\/em><\/strong><\/a>\u00a0, de cualquier motor de calor se define como la relaci\u00f3n de la\u00a0obra<\/a>\u00a0lo hace,\u00a0W<\/strong>\u00a0, para el\u00a0calor<\/a>\u00a0de entrada a la alta temperatura, Q\u00a0H<\/sub>\u00a0.<\/p>\n

\"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

La\u00a0eficiencia t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0,\u00a0\u03b7\u00a0<\/em><\/strong>th<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0, representa la fracci\u00f3n de\u00a0calor<\/strong>\u00a0,\u00a0Q\u00a0<\/strong>H<\/sub><\/strong>\u00a0, que se convierte\u00a0en trabajo<\/strong>\u00a0.\u00a0Dado que la energ\u00eda se conserva de acuerdo con la\u00a0primera ley de la termodin\u00e1mica<\/strong><\/a>\u00a0y la energ\u00eda no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q\u00a0H<\/sub>\u00a0, debe ser igual al trabajo realizado, W, m\u00e1s el calor que se debe disipar como\u00a0calor residual Q\u00a0<\/strong>C<\/sub><\/strong>\u00a0en el ambiente.\u00a0Por lo tanto, podemos reescribir la f\u00f3rmula para la eficiencia t\u00e9rmica como:<\/p>\n

\"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

Esta es una f\u00f3rmula muy \u00fatil, pero aqu\u00ed expresamos la eficiencia t\u00e9rmica utilizando la primera ley en t\u00e9rminos de\u00a0entalp\u00eda<\/a>\u00a0.<\/p>\n

\"Ciclo<\/a>
Ciclo de Rankine – diagrama Ts<\/figcaption><\/figure>\n

T\u00edpicamente, la mayor\u00eda de\u00a0las plantas de energ\u00eda nuclear<\/strong>\u00a0opera\u00a0turbinas de vapor de condensaci\u00f3n de etapas m\u00faltiples<\/strong>\u00a0.\u00a0En estas turbinas, la etapa de alta presi\u00f3n recibe\u00a0vapor<\/a>\u00a0(este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura;\u00a06 MPa<\/strong>\u00a0; 275.6 \u00b0 C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D )\u00a0El vapor debe recalentarse para evitar da\u00f1os que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de\u00a0baja calidad<\/a>\u00a0.\u00a0El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presi\u00f3n de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F).\u00a0El vapor agotado se condensa en el condensador y est\u00e1 a una presi\u00f3n muy por debajo de la atmosf\u00e9rica (presi\u00f3n absoluta de0.008 MPa<\/strong>\u00a0), y est\u00e1 en un estado parcialmente condensado (punto F), t\u00edpicamente de una calidad cercana al 90%.<\/p>\n

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentaci\u00f3n constituyen un motor t\u00e9rmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la\u00a0segunda ley de la termodin\u00e1mica<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0En el caso ideal (sin fricci\u00f3n, procesos reversibles, dise\u00f1o perfecto), este motor t\u00e9rmico tendr\u00eda una\u00a0eficiencia<\/a>\u00a0de\u00a0Carnot<\/a>\u00a0de<\/p>\n

= 1 – T\u00a0fr\u00edo<\/sub>\u00a0\/ T\u00a0caliente<\/sub>\u00a0= 1 – 315\/549 = 42.6%<\/p>\n

donde la temperatura del dep\u00f3sito caliente es de 275.6 \u00b0 C (548.7K), la temperatura del dep\u00f3sito fr\u00edo es de 41.5 \u00b0 C (314.7K).\u00a0Pero la central nuclear es el\u00a0motor t\u00e9rmico real<\/strong>\u00a0, en el que los procesos termodin\u00e1micos son de alguna manera irreversibles.\u00a0No se hacen infinitamente lento.\u00a0En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricci\u00f3n mec\u00e1nica y p\u00e9rdidas de calor causan p\u00e9rdidas adicionales de eficiencia.<\/p>\n

Para calcular la\u00a0eficiencia t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0del\u00a0ciclo de Rankine<\/strong>\u00a0m\u00e1s simple\u00a0(sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la\u00a0primera ley de la termodin\u00e1mica en t\u00e9rminos de entalp\u00eda en<\/strong><\/a>\u00a0lugar de en t\u00e9rminos de energ\u00eda interna.<\/p>\n

La primera ley en t\u00e9rminos de entalp\u00eda es:<\/p>\n

dH = dQ + Vdp<\/strong><\/em><\/p>\n

En esta ecuaci\u00f3n, el t\u00e9rmino\u00a0Vdp<\/em><\/strong>\u00a0es un\u00a0proceso de flujo de trabajo.\u00a0<\/strong>Este trabajo, \u00a0\u00a0Vdp<\/em><\/strong>\u00a0, se utiliza para\u00a0sistemas de flujo abierto<\/strong>\u00a0como una\u00a0turbina<\/strong>\u00a0o una\u00a0bomba<\/strong>\u00a0en la que hay un\u00a0“dp”<\/strong>\u00a0, es decir, un cambio de presi\u00f3n.\u00a0No hay cambios en el\u00a0volumen de control<\/a>\u00a0.\u00a0Como puede verse, esta forma de ley\u00a0simplifica la descripci\u00f3n de la transferencia de energ\u00eda<\/strong>\u00a0.\u00a0A presi\u00f3n constante<\/strong>\u00a0, el\u00a0cambio de entalp\u00eda<\/strong>\u00a0es igual a la\u00a0energ\u00eda<\/strong>\u00a0transferida del ambiente a trav\u00e9s del calentamiento:<\/p>\n

Proceso isob\u00e1rico (Vdp = 0):<\/strong><\/p>\n

dH = dQ \u2192 Q = H\u00a0<\/strong>2<\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/strong>1<\/sub><\/strong><\/p>\n

En una entrop\u00eda constante<\/strong>\u00a0, es decir, en un proceso isentr\u00f3pico, el\u00a0cambio de entalp\u00eda<\/strong>\u00a0es igual al\u00a0trabajo del proceso de flujo<\/strong>\u00a0realizado en o por el sistema:<\/p>\n

Proceso isentr\u00f3pico (dQ = 0):<\/strong><\/p>\n

dH = Vdp \u2192 W = H\u00a0<\/strong>2<\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/strong>1<\/sub><\/strong><\/p>\n

Es obvio, ser\u00e1 muy \u00fatil en el an\u00e1lisis de los dos ciclos termodin\u00e1micos utilizados en la ingenier\u00eda de energ\u00eda, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.<\/p>\n

La\u00a0entalp\u00eda<\/strong>\u00a0se puede convertir en una\u00a0variable\u00a0intensiva<\/strong>\u00a0o\u00a0espec\u00edfica<\/strong>\u00a0dividi\u00e9ndola por la\u00a0masa<\/a>\u00a0.\u00a0Los ingenieros usan la\u00a0<\/strong>entalp\u00eda espec\u00edfica<\/strong>\u00a0en el an\u00e1lisis termodin\u00e1mico m\u00e1s que la entalp\u00eda misma.\u00a0Se tabula en las\u00a0tablas de vapor<\/strong><\/a>\u00a0junto con\u00a0un volumen\u00a0<\/a>espec\u00edfico<\/a>\u00a0y\u00a0una energ\u00eda interna espec\u00edfica<\/a>\u00a0.\u00a0La eficiencia t\u00e9rmica de dicho ciclo simple de Rankine y en t\u00e9rminos de entalp\u00edas espec\u00edficas ser\u00eda:<\/p>\n

\"eficiencia<\/a><\/p>\n

Es una ecuaci\u00f3n muy simple y para determinar la eficiencia t\u00e9rmica puede usar datos de\u00a0tablas de vapor<\/strong>\u00a0.<\/p>\n

\"Takaishi,<\/a>
Takaishi, Tatsuo;\u00a0Numata, Akira;\u00a0Nakano, Ryouji;\u00a0Sakaguchi, Katsuhiko (marzo de 2008).\u00a0“Enfoque para motores diesel y de gas de alta eficiencia” (PDF).\u00a0Revisi\u00f3n t\u00e9cnica de Mitsubishi Heavy Industries.\u00a045 (1).\u00a0Consultado el 4 de febrero de 2011.<\/figcaption><\/figure>\n

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia t\u00e9rmica general es de aproximadamente\u00a0un tercio<\/strong>\u00a0(33%), por lo\u00a0que se necesitan\u00a03000 MWth<\/strong>\u00a0de energ\u00eda t\u00e9rmica de la reacci\u00f3n de fisi\u00f3n para generar\u00a01000 MWe<\/strong>\u00a0de energ\u00eda el\u00e9ctrica.\u00a0La raz\u00f3n radica en una temperatura de vapor relativamente baja (\u00a06 MPa<\/strong>\u00a0; 275.6 \u00b0 C).\u00a0Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la\u00a0temperatura<\/strong>del vapor\u00a0Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor.\u00a0Sin embargo, las consideraciones metal\u00fargicas ponen l\u00edmites superiores a tales presiones.\u00a0En comparaci\u00f3n con otras fuentes de energ\u00eda, la eficiencia t\u00e9rmica del 33% no es mucho.\u00a0Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho m\u00e1s complejas que las centrales de combustibles f\u00f3siles y es mucho m\u00e1s f\u00e1cil quemar combustibles f\u00f3siles que generar energ\u00eda a partir de combustibles nucleares.\u00a0Las plantas de energ\u00eda de combustible f\u00f3sil subcr\u00edtico, que funcionan bajo\u00a0presi\u00f3n cr\u00edtica<\/strong>\u00a0<\/a>(es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.<\/p>\n

\n
\n

Causas de ineficiencia<\/h2>\n

Como se discuti\u00f3, una eficiencia puede variar entre 0 y 1. Cada motor t\u00e9rmico es de alguna manera ineficiente.\u00a0Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas.<\/p>\n