Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 1.

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1 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 1 El ciclo Rankine mejorado Regeneración El ciclo Rankine mejorado Elevación de la temperatura promedio de la adición de calor

2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 2 El ciclo Rankine mejorado Regeneración El ciclo Rankine con recalentamientoEl ciclo Rankine con recalentamiento EjemplosEjemplos Panorama

3 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 3 El ciclo Rankine mejorado Regeneración El ciclo Rankine con recalentamiento...

4 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 4 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Suponga un ciclo de Carnot que opera entre dos tempepraturas fijas, como se ilustra. T s 1 23 4 Un ciclo hipotético de potencia de vapor

5 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 5 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Un ciclo hipotético de potencia de vapor con supercalentamiento El supercalentamiento del fluido de trabajo eleva la temperatura promedio de la adición de calor. Ts 1 2 3 4 T H,2 T H,1

6 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 6 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ciclo hipotético de potencia de vapor: el ciclo Rankine con supercalentamiento El supercalentamiento del fluido de trabajo eleva la temperatura promedio con un almacenamiento a temperatura más elevada. s b T d c a

7 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 7 El ciclo Rankine mejorado Regeneración La expansión adicional por medio del recalentamiento al estado “d” permite una entalpía mayor por liberarse entre los estados “c” a “e”. s T f a b c p1p1 p2p2 d e El ciclo Rankine con recalentamiento

8 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 8 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Q OUT W ENTRA a b ef QHQHQHQH W FUERA QCQCQCQC cd Recalentamiento en una etapa. Se produce trabajo en ambas turbinas. Recalentamiento en una etapa. Se produce trabajo en ambas turbinas. El ciclo de recalentamiento

9 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 9 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Eficiencia del ciclo de recalentamiento (1)

10 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 10 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 1

11 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 11 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 1: un ciclo de Carnot Para comenzar el análisis de las operaciones del ciclo Rankine, considere un ciclo de Carnot estable (a-b-c-d-a) cuyo fluido de trabajo es agua que opera entre límites dados de temperatura, según se muestra. Los datos que se dan son la presión de la caldera, de 500 psi (p a = 500 psi) y la temperatura del condensador, de 70 o F (T c = 70 o F). Determine trabajo de salida, eficiencia térmica, irreversibilidad y razón de trabajo. b cd a T1T1T1T1 T2T2T2T2 T s a b c d T1T1 T2T2 p1p1 p2p2

12 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 12 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 1: datos que se brindan

13 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 13 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 1: datos que se calculan

14 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 14 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 1: cantidades del proceso Proceso  H BTU/lbm  W  Q  S BTU/ lbm-R  Q/T BTU/lbm- R  s BTU/ lbm-R a-b7550 0.8147 0 b-c-4304300000 Las cantidades del proceso se obtuvieron con la primera ley para sistemas abiertos, suponiendo que los efectos de las EC y EP son despreciables. La producción de entropia se obtuvo de un balance de entropia para un sistema abierto. Obsérvese que el calor cíclico iguala al trabajo cíclico como lo exige la primera ley, y que la producción de entropia es cero, como lo requiere la igualdad de Clausius.

15 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 15 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Eficiencia térmica Razón de trabajo Ejemplo 1: eficiencia térmica y razón de trabajo en reversa

16 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 16 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 2

17 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 17 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 2: ciclo Rankine sin supercalentamiento Un ciclo Rankine con agua como fluido de trabajo opera entre los mismos límites que en el Ejemplo 1, p a = 500 psi y temperatura de condensación de 70 o F. Si se supone que todos los procesos son internamente reversibles, determine el trabajo de salida, la eficiencia, la producción de entropía y la razón de trabajo. T s a b cd T1T1 T2T2 papa pdpd

18 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 18 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 2: datos que se calculan

19 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 19 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 2: cantidades del proceso Proceso  H BTU/lbm  W  Q  S BTU/ lbm-R  Q/T BTU/lbm- R  s BTU/ lbm-R a-b1164.50 1.3889 0 b-c-4304300000 Trabajo de salida =428.5 BTU/lbm Eficiencia térmica =36.8% Razón de trabajo = 0.0035 Producción de entropía = 0

20 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 20 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 3

21 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 21 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 3: efecto de la irreversibilidad en la turbina y la bomba Un ciclo Rankine opera entre los límites anteriores, y tiene eficiencias de la bomba y turbina de 80%. Determine el trabajo de salida, la eficiencia, la razón de trabajo y la producción de entropía. Suponga que las temperaturas de condensación y ambiental son las mismas. T1T1 T2T2 s a b c d papa pdpd c’ a’ T

22 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 22 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 3: datos que se calculan Los estados en a’ y c’ se determinan por medio de la primera ley para un sistema abierto, y la definición de eficiencia isentrópica para turbinas y bomas, según corresponda.

23 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 23 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 3: cantidades del proceso Los procesos isentrópicos se determinan antes de los procesos reales, en los que está involucrada la irreversibilidad. Trabajo de salida = 342 BTU/lbmEficiencia térmica = 29.4% Razón de trabajo = 0.0054Producción de entropía = 0.1636 BTU/lbm-R

24 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 24 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 3: comparación

25 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 25 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 4

26 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 26 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 4: supercalentamiento Un ciclo Rankine internamente reversible se determina con la especificación de una temperatura máxima de 800 o F, una calidad en la descarga de la turbina de 0.9, y temperatura de condensación mínima de 70 o F. Compare la eficiencia térmica con la de un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura. s b a cd pdpd papa T

27 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 27 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 4: los datos que se dan y los que se calculan

28 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 28 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 4: eficiencia térmica Eficiencia térmica Eficiencia de Carnot

29 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 29 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 5

30 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 30 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 5: el ciclo de recalentamiento f a b c papa pcpc s d e T

31 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 31 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 5: los datos que se dan y los que se calculan El estado en “c” tiene la misma presión que se especifica en el Ejemplo 4. Esto determina al estado “b”. El estado “a” lo determina la aproximación habitual para un líquido incompresible que pasa por el proceso f-a.

32 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 32 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 5: cantidades del proceso Trabajo de salida = 701 BTU/lbm Eficiencia térmica = 701/(1315+336) = 0.424 Eficiencia de Carnot = 1-(530/1260) = 0.579

33 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 33 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Ejemplo 6

34 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 34 El ciclo Rankine mejorado Regeneración 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 300350400450500550600650700 P superior (psia)  Variación de la (primera ley) eficiencia del ciclo con variación de la presión de la adición de calor en un ciclo Rankine básico sin supercalentamiento. La presión del condensador se supuso de 14 psia.

35 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 35 El ciclo Rankine mejorado Regeneración T s 1 2 3 5 6 4 p2p2 p media

36 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 36 El ciclo Rankine mejorado Regeneración 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0100200300400500600 P media (psia)  Psup = 400 psia Psup = 500 psia Psup = 600 psia La variación de la eficiencia del ciclo Rankine con una etapa de recalentamiento como función de la presión a la cual se realiza. P sup es la presión de la adición de calor a alta temperatura.

37 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 37 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Fin del ciclo Rankine mejorado

38 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 2. Transparencia 38 El ciclo Rankine mejorado Regeneración Términos y conceptos clave Eficiencia del ciclo Ciclo Rankine con recalentamiento Ciclo Rankine con regeneración Razón de trabajo