Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
10-1 ■ EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT
Como se ha mencionado repetidamente, el ciclo de Carnot es el más eficiente
de los ciclos que operan entre dos límites especificados de temperatura. Así,
es natural considerar primero a este ciclo como un prospecto de ciclo ideal
para las centrales eléctricas de vapor. Si fuera posible, se adoptaría como el
ciclo ideal. Sin embargo, como se explica a continuación el ciclo de Carnot
no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el
análisis se ha considerado al vapor como el fluido de trabajo, ya que su uso
predomina en los ciclos de potencia de vapor.
Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutado dentro de la
curva de saturación de una sustancia pura, como se muestra en la figura
10-1a). El fluido se calienta de manera reversible e isotérmicamente en una caldera
(proceso 1-2); se expande isentrópicamente en una turbina (proceso 2-3);
se condensa reversible e isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4), y
se comprime de manera isentrópica mediante un compresor hasta su estado
inicial (proceso 4-1).
Con este ciclo se asocian varias situaciones imprácticas:
1. La transferencia isotérmica de calor hacia o desde un sistema de dos
fases no es difícil de alcanzar en la práctica, porque una presión constante en
el dispositivo fija automáticamente la temperatura en el valor de saturación.
Por consiguiente, los procesos 1-2 y 3-4 pueden aproximarse bastante a los
de las calderas y los condensadores reales. Sin embargo, restringir los procesos
de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la
temperatura máxima que puede utilizarse en el ciclo (tiene que permanecer
debajo del valor del punto crítico, el cual es de 374 °C para el agua). Restringir
la temperatura máxima en el ciclo limita también la eficiencia térmica.
Cualquier intento por elevar la temperatura máxima en el ciclo implica la
transferencia de calor hacia el fluido de trabajo en una sola fase, lo que no es
fácil de realizar de modo isotérmico.
2. El pro ce so de ex pan sión isen tró pi ca (pro ce so 2-3) pue de apro ximar
se bas tan te me dian te una tur bi na bien di se ña da. Sin em bar go, la ca li dad
del va por dis mi nu ye du ran te es te pro ce so, co mo se ob ser va en el dia gra ma
T-s de la fi gu ra 10-1a). Por lo tan to, la tur bi na tie ne que ma ne jar va por con
ba ja ca li dad, es de cir, va por con un al to con te ni do de hu me dad. El cho que
de go tas lí qui das so bre los ála bes de la tur bi na pro du ce ero sión y es una de
las prin ci pa les fuen tes de des gas te. Así, el va por con ca li da des me no res a 90
T
T
1 2
1 2
4
3
4
3
FIGURA 10-1
Diagrama T-s para dos ciclos de vapor
de Carnot.
s
a) b)
s