Untitled Document

Básicamente los ciclos del motor a vapor se pueden resumir en forma general en tres:

Ciclo abierto: Ciclo sin condensación, el utilizado en la mayor parte de las máquinas a vapor.
Ciclo Rankine: Primer ciclo cerrado de vapor que incluye condensador pero no sobrecalentamiento.
Ciclo Hirn: Que es básicamente un ciclo de Rankine con sobrecalentamioento.

Ciclo abierto

Este es el primer ciclo utilizado ampliamente, y el mas comocido. Su aplicación va desde locomotoras hasta locomóviles (máquinas a vapor portátiles). Para entender el ciclo se analizara via diagrama por bloques.

El funcionamiento del ciclo es básicamente el siguiente: Se tiene un contenedor con agua (1) a temperatura ambiente la cual es transportada por la bomba (2) para ser inyectada a la caldera (aumentando la presion del agua desde la presion atmosferica hasta la presion de la caldera). Aqui el agua es calentada (Q) hasta que ebulle formando vapor. El vapor se extrae desde la parte superior (3) que por gravedad es principalmente vapor saturado (x cercano a 1). El vapor (con presion) ingresa al cilindro donde se expande empujando al piston y generando trabajo.
El piston descarga el vapor (a presión atmosferica) al ambiente donde finalmente se condensa (4).

Todo este ciclo se puede ver mejor en los diagramas P-v y T-S.

En el diagrama P - v se tienen indicados los puntos importantes del ciclo. En el depósito de agua el agua es un líquido subsaturado (1), la bomba aumenta la presión de esta hasta la presión de la caldera (2). Como se comprime solo líquido este disminuye levemente su volumen.
En la caldera existe un calentamiento a presión constante donde se llega a tener teóricamente solo vapor saturado (3). Luego el vapor saturado se extrae de la caldera y se expande en el cilindro generando trabajo útil. Finalmente el vapor sale a la atmosfera y se condensa.

En diagrama T-S el ciclo abierto se describe como sigue: El agua está inicialmente a Tamb y en estado líquido (1), luego la bomba lo comprime hasta el estado (2). En teoría esta compresión es isentrópica, en realidad la entropía aumenta un poco. En todo caso, los estados (1) y (2) están muy cercas (la temperatura apenas sube). Al inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se expande en el motor, generando el trabajo W. Esta expansión en teoría es identrópica. El vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 100ºC. Luego este vapor condensa en la atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.

Ciclo Rankine

Es un ciclo muy empleado en máquinas simples y cuando la temperatura de fuente caliente está limitada. Es mucho más práctico que el ciclo de Carnot con gas pues la capacidad de transporte de energía del vapor con cambio de fase es mucho más grande que en un gas.

La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (3) y comprime el agua hasta la presión de la caldera (4). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al expansor. En este ejemplo el expansor es una turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (2). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (3) prácticamente como líquido saturado.
Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con título x=1), el que se transporta a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (2). Este es vapor con título x<1 y el vapor es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (2)-(3), y del condensador se extrae líquido condensado con título x=0, en el estado (3). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcald , evolución (3)-(4) y reinyecta el condensado en la caldera.

En diagrama T-S el ciclo Rankine se describe como sigue: El vapor está inicialmente con título 1, como vapor saturado (1), luego el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (1)-(2). Esta evolución se puede suponer adiabática. Si además se supone sin roce, se asimilará a una isentrópica. Si hubiera roce, la entropía aumentaría (como veremos más adelante). A la salida de la turbina el vapor tendrá título inferior a 1.
El vapor que descarga la turbina es admitido al condensador, donde condensa totalmente a temperatura y presión constantes, evolución (2)-(3). Sale del condensador en el estado (3) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la bomba, evolución (3)-(4), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. Si bien la presión aumenta en forma significativa, la temperatura casi no sube. Idealmente esta compresión también es adiabática e isentrópica, aunque realmente la entropía también aumenta. En el estado (4) el líquido está como líquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso (4)-(1) ocurre dentro de la caldera. Incluímos el punto 4' que es cuando se alcanza la saturación, pero solo para efectos ilustrativos.

Ciclo de Hirn

Tal como se indicó en el párrafo precedente, el ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Esto lo vemos ilustrado en las siguientes figuras que muestran en detalle el proceso en diagrama de bloques, p-V y T-S.

La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (4) y comprime el agua hasta la presión de la caldera(5). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva al expansor o turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (3). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (4) prácticamente como líquido saturado.
Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con título x=1). Luego se tiene el proceso (1)-(2) en que el vapor se sobrecalentado a presión constante. Sale en el estado (2) y allí entra a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador [proceso (2)-(3)], produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (3). Este es vapor con título x<1, pero más seco que en el ciclo de Rankine, es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (3)-(4), y del condensador se extrae líquido condensado con título x=0, en el estado (4). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcald , evolución (4)-(5) y reinyecta el condensado en la caldera.

En diagrama T-S el ciclo Hirn se describe como sigue: El vapor está inicialmente con título 1, como vapor saturado (1), luego se sobrecalienta en el proceso (1)-(2)el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (2)-(3). Esta evolución es, en principio, isentrópica. A la salida de la turbina el vapor tendrá título inferior a 1, pero saldrá mucho más seco que en el ciclo de Rankine. Incluso nada impide que el vapor saliera como vapor sobrecalentado.
El vapor que descarga la turbina es admitido al condensador, donde condensa totalmente a temperatura y presión constantes, evolución (3)-(4). Sale del condensador en el estado (4) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la bomba, evolución (4)-(5), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. En el estado (5) el líquido está como líquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso (5)-(1) ocurre dentro de la caldera. Incluímos el punto 5' que es cuando se alcanza la saturación, pero solo para efectos ilustrativos.