UNIDAD I CICLO DE VAPOR

1.2 CICLO DE H I R N
ASIGNATURA: MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS II
GRADO: INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA VIII
ALUMNO: EDMUNDO ANTONIO DOMÍNGUEZ TORRES

CIUDAD JUÁREZ CHIHUAHUA A 11 DE MAYO DEL 2024

ÍNDICE

Contenido
CICLO DE H I R N...........................................................................................................................3
CONCEPTO DEL CICLO DE H I R N...........................................................................................4
APLICACIONES..............................................................................................................................6
DIAGRAMA CÍCLICO Y DIAGRAMA T-S (TEMPERATURA-ENTROPÍA).............................7
SOBRECALENTAMIENTO Y RECALENTAMIENTO..............................................................10
CICLO DE H I R N

El vapor de agua es el fluido de trabajo usado más comúnmente en ciclos de potencia de

vapor debido a sus muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y

alta entalpía de vaporización. Por consiguiente, esta investigación se dedica principalmente

al estudio de centrales eléctricas de vapor, las cuales normalmente son llamadas centrales

carboeléctricas, centrales nucleoeléctricas o centrales eléctricas de gas natural, según el tipo

de combustible que empleen para su ministrar calor al vapor.

Sin embargo, el vapor pasa por el mismo ciclo básico en todas; por lo tanto, pueden

analizar se dé la misma manera.

Desde el punto de vista de la tecnología, un punto importante de la ingeniería es proyectar

sistemas que realicen las conversiones deseadas entre los diferentes tipos de energías. El

objetivo es describir el dispositivo H I R N empleado para producir potencia e ilustrar como

modelizarse termodinámicamente tal planta.

Los procesos que tienen lugar en los sistemas de generación de potencia son altamente

complicados y se precisan idealizaciones para desarrollar modelos termodinámicos

adecuados.

Tales modelos son muy importantes en la etapa inicial del diseño técnico. Aunque el

estudio de modelos simplificados proporciona en general solo conclusiones cualitativas

acerca del rendimiento de los equipos reales, estos a veces permitirán deducciones acerca

del rendimiento real en relación a sus principales parámetros de operación.

CONCEPTO DEL CICLO DE H I R N

El ciclo de H i r n es básicamente el mismo ciclo de Rankine, sin embargo, este cuenta con

uno o más recalentamientos, este proceso se formuló como respuesta a lo siguiente:

¿Cómo podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la caldera sin

tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina?

La solución fue, expandir el vapor en la turbina en dos etapas y calentarlo entre ellas. Para

esto, se debe modificar el ciclo Rankine con un proceso de recalentamiento. El

recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es

comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor.

El ciclo de Rankine con recalentamiento funciona de dos partes; en el primer parte (la

turbina de alta presión), el vapor se expande hasta tener una presión intermedia y regresa a

la caldera donde se recalienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de

entrada de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande en la segunda etapa

(turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor

total y la salida total de trabajo de la turbina en el ciclo de recalentamiento se calcula con la

siguiente fórmula:
APLICACIONES

Este ciclo se utilizó en el transporte en:

Locomotoras, automóviles, camiones y motocicletas que utilizaban motor a vapor.

En la agroindustria en tractores.

Actualmente en automóviles deportivos a vapor.

Y en las centrales termoeléctricas a.

Reducir la presión del condensador.

Aumentar la presión de la caldera.

Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina.

El ciclo de H i r n conviene cuando tenemos fuente caliente de alta temperatura y

necesitamos que el vapor salga más seco de la máquina. Con las condiciones en caldera y

condensador iguales, el rendimiento de un ciclo de H i r n será superior a uno de Rankine.

DIAGRAMA CÍCLICO Y DIAGRAMA T-S (TEMPERATURA-ENTROPÍA)

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 (5') 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 le aplica un sobrecalentamiento. Este sistema conjunto de

caldera y sobre calentador se conoce como generador de vapor. Por lo tanto, el vapor se

calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado

(2). El vapor que sale del sobre calentador 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 enfriados 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 el diagrama T-S, el ciclo H i r n s e 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 puede salir como vapor sobrecalentado. Luego

es condensado 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 a 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)-(2)

ocurre dentro del generador de vapor. En resumen, podemos afirmar:

Siempre, de ser posible, conviene utilizar un condensador.

Si la temperatura de la fuente caliente está limitada (es decir es bastante inferior a la

temperatura crítica del agua), en general conviene utilizar un ciclo de Rankine.

El ciclo de H i r n conviene cuando tenemos fuente caliente de alta temperatura y

necesitamos que el vapor salga más seco de la máquina.

Con las condiciones en caldera y condensador iguales, el rendimiento de un ciclo de H i r n

será superior a uno de Rankine.

SOBRECALENTAMIENTO Y RECALENTAMIENTO

Nos referimos a que luego de un sobrecalentamiento del vapor de caldera, luego de un

primer uso en la turbina de alta presión, regresa al generador de vapor para ser recalentado

para un segundo uso en la turbina de baja presión. Esta modificación conocida como

recalentamiento, usada normalmente en las plantas de potencia, permite elevar la eficiencia

al elevar la presión de caldera y evitar un vapor de bajo título a la salida de la turbina. En el

ciclo H i r n con recalentamiento el vapor no se expande hasta la presión del condensador

en una sola etapa, y su descripción es como sigue: En la primera etapa de la turbina

(proceso 1-2) el vapor se expande hasta una presión entre la del generador de vapor y el

condensador. El vapor luego se recalienta en el generador de vapor (proceso 2-3),

idealmente se considera la no existencia de pérdidas de presión. Después del

recalentamiento, el vapor se expande en una segunda etapa de la turbina hasta la presión del

condensador (proceso 3-4).

La principal ventaja del recalentamiento es el incremento del título del vapor de la turbina.

Cuando se determina el rendimiento térmico de un ciclo con recalentamiento es necesario

contabilizar la cantidad de trabajo obtenido en ambas etapas de la turbina y también el calor

absorbido en los procesos de evaporación/sobrecalentamiento y recalentamiento.

En resumen, podemos afirmar:

Se utiliza ciclo de H i r n con 2 sobrecalentamientos cuando se trata de centrales térmicas

de potencia elevada, que tienen calderas a alta presión y condensador.

La ventaja principal de utilizar este ciclo más complejo radica en un mejor

aprovechamiento del potencial del combustible y también las características de evaporación

del vapor. Logrando:

1Aumento de la presión de saturación

2 aumento de la temperatura en el sobrecalentado

3Precalentamiento de agua de alimentación

4.Recalentamiento de vapor

5.Precalentamiento de aire de combustión

En el ciclo H i r n, el vapor tiende a salir de la máquina (o expansor) con título bastante

inferior a 1. Esto es notablemente más así cuando se usa condensador. El tener un título

pequeño (típicamente del orden de 0,80 o menos) implica que del total de fluido que sale

del expansor, 20% o más es líquido. Cuando se trata de máquinas alternativas (cilindro-

pistón), este es un inconveniente no muy grave, pero cuando se trata de máquinas rotativas

(turbinas) en que el vapor fluye a través de los elementos a alta velocidad, esto causa

desgaste y erosión en las piezas fijas y móviles.

El segundo inconveniente, menos aparente, pero mucho más importante desde el punto de

vista termodinámico, tiene que ver con las irreversibilidades termodinámicas. Estas siempre

existen, pero si yo uso un combustible (llama) como fuente de calor, el efecto puede ser

muy grave.
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 sobre calentador. 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 sobre calentador 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.
CONCLUSIÓN

En ese caso, podríamos decir que es fundamental para regular nuestros patrones

de sueño, energía y alerta a lo largo del día. Además, influye en una variedad de

funciones corporales, desde la digestión hasta la función cerebral. Su comprensión

nos permite optimizar nuestras rutinas diarias para un mejor rendimiento y

bienestar.

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

Eléctricas, C. (s/f). UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUCUMÁN. Edu.ar. Recuperado el 11

de mayo de 2024, de https://catedras.facet.unt.edu.ar/centraleselectricas/wp-

content/uploads/sites/19/2014/10/TP-3-Ciclo-de-Rankine_2015.pdf