Ciclos Termodinámicos y Eficiencia Energética

Un Ciclo termodinámico es una secuencia de procesos que empiezan y terminan en el mismo estado. Al final de un ciclo todas las propiedades tienen los mismos valores que tenían al principio. En consecuencia, el sistema no experimenta cambio de estado alguno al finalizar el ciclo.

Ciclo de potencia o motor térmico

Es aquel que realiza un trabajo al pasar calor desde un foco caliente a otro frío.

Ciclos de refrigeración y bombas de calor

Recibe trabajo al pasar de un foco frío a otro caliente.

La eficiencia de un sistema que sigue un ciclo de potencia puede describirse en función de la cantidad de la energía añadida en forma de calor Qe que se convierte en una producción neta de trabajo, Wciclo

La eficiencia de los ciclos de refrigeración puede describirse como el cociente entre la cantidad de energía recibida desde el cuerpo frío por el sistema que desarrolla el ciclo, Qe, y la transferencia neta de trabajo, Wciclo, al sistema que se precisa para conseguir ese efecto. Así, el coeficiente de operación, bheta.

La eficiencia de las bombas de calor puede describirse como el cociente entre la cantidad de energía, Qs, cedida al cuerpo caliente por el sistema que describe el ciclo y la transferencia neta de trabajo al sistema necesaria para conseguir ese efecto, Wciclo

Diferencias entre ciclos de potencia de vapor y de gas

El ciclo de vapor de agua se diferencia de los ciclos de potencia de gas debido a que en algunas partes de los procesos en el ciclo, se hallan presentes tanto la fase líquida como la fase de vapor.

Vapor:

El ciclo más utilizado es el ciclo de Rankine. El fluido de trabajo es vapor de agua y suele sufrir cambios de fase. El vapor a turbinar es generado a partir del calentamiento y evaporación de agua que atraviesa la caldera donde se queman los combustibles (carbón, gas natural, etc.) o donde se libera energía de fisión nuclear. La temperatura máxima está limitada a unos 500 a 600ºC. Las presiones máximas son de unos 35Mpa para turbinas de vapor (350bar). Las turbinas deben ser robustas al tener altas presiones de admisión.

Gas:

El ciclo más utilizado es el ciclo de Brayton. El fluido de trabajo son los gases de combustión y no se espera un cambio de fase. Los gases a turbinar son generados mediante la combustión del gas en la cámara de combustión intermedia entre el compresor para el aire y la turbina de expansión. La temperatura de entrada de los gases a la turbina es de unos 1000ºC para el uso industrial y, hasta unos 1300ºC para turbinas a gas de uso aeronáutico. Las presiones máximas varían entre 2 y 4MPa. Las turbinas de gas son de construcción más liviana.

Ciclo de Carnot

La bomba trabaja mal si lo hace con vapor (etapa4-1) 1). Hay que evitar el vapor en la bomba llevando el punto 4 a título 0 (líquido saturado). Respecto a la temperatura crítica del vapor de agua es 374 ºC (temperatura máxima limitada). Conviene no realizar la expansión en la zona de vapor saturado y a que corren peligro los álabes de la turbina. Hay que limitar formación de agua líquida.

Ciclo de Rankine básico

Para solucionar el problema del vapor en la bomba se transmite calor a presión constante (isobara) desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado (estado4). Así el proceso4-5 5 se realiza mediante una bomba de líquidos, que eleva isoentrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada en el proceso.

Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento (ciclo de Hirn)

Cuando el vapor sale de 3, se sobrecalienta hasta 4 (vapor sobrecalentado). De esta forma el trabajo de la turbina, Wt=h4-h5, de esta forma el trabajo de la turbina, wt=h2-h3 era menor (línea más corta). Por otra parte, las turbinas de vapor funcionan mejor cuando el vapor sea más seco.

Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio de vapor

Mejora el trabajo de la turbina respecto al Rankine‐Hirn por operar con vapor más seco. Las dimensiones de la turbina mejora al fraccionarla. El máximo rendimiento se obtiene cuando el cociente p3/p2 está comprendido entre 0.15 y 0.35.

Centrales termoeléctricas. Central térmica convencional

Se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fuel oil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua‐vapor (ciclo de Rankine) mediante una turbina de vapor.

Centrales nucleares

Es una central térmica en que el combustible es el uranio enriquecido.

Centrales de ciclo combinado

Es una central térmica que genera electricidad mediante la utilización conjunta de dos turbinas: una de gas y otra de vapor. Es decir, se superponen dos ciclos: el ciclo de Brayton (turbina de gas) y el ciclo de Rankine (turbina de vapor). En los ciclos que usan turbinas de gas, no hay quemador secundario. En las centrales de ciclo combinado se aprovechan los gases calientes de la turbina de gas para calentar el agua.