EPÓNIMOS RELACIONADOS CON LA FÍSICA

 

Esquema de un ciclo Otto de 4 tiempos en un diagrama PV

Ciclo Otto con valores exactos

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina, etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias altamente volátiles e inflamables). Inventado por Nicolaus Otto en 1860, se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas de cigüeñal)

Hay tres tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto creados por IO, los motores de dos tiempos, los motores de cuatro tiempos y los motores de seis tiempos. Debido a diferentes factores casi todos los motores suelen ser de 4 tiempos. El ciclo no influye en la selección de combustible.

El 4 tiempos, junto con el motor diésel, ha sido el más utilizado en los automóviles durante los últimos años (antes del 2000 había muy pocos automóviles diésel), ya que tiene un buen rendimiento y no se controlaba la contaminación. (después de las últimas actualizaciones de normativas anticontaminación la fabricación y venta de automóviles diésel se ha desplomado)

El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante, pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:

1. E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga).
2. A-B: compresión de los gases e isoentrópica.
3. B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil.
4. C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo.
5. D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante.
6. A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga.)(isobárico).

Motor de cuatro tiempos

Artículo principal: Ciclo de cuatro tiempos

1. Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto significa que entra de forma gaseosa).
2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, una chispa en la bujía enciende la mezcla.
3. Durante la tercera fase, se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga).

Ciclo de 2 tiempos (1 vuelta de cigüeñal)

Motor de dos tiempos.

1. (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión hacia el cárter de precompresión. (Esto no significa que entre de forma gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido descendente, el pistón la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la mezcla fresca precomprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape.
   Cuando el pistón empieza a subir la lumbrera de transferencia permanece abierta una parte de la carrera y el cárter no coge aire fresco, sino que retornan parte de los gases, perdiendo eficiencia de bombeo.
   A altas revoluciones se utiliza la inercia de la masa de los gases para minimizar este efecto (renovación de la carga).
2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

La principal ventaja de este ciclo es la sencillez de fabricación por lo que muchos fabricantes de transportes económicos optaron por esta tecnología. (cuando las regulaciones medioambientales no suponían una dificultad)

La eficiencia de estos motores varía mucho según la construcción; pudiendo ser, desde inferior a la de motores de 4 tiempos (en el caso de motores sencillos) hasta eficiencias térmicas similares como el caso de los motores de EMD de 2 tiempos para locomotoras diésel eléctricas.

En el caso de motores económicos y atmosféricos, el rendimiento volumétrico de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que realiza parte de la carrera de compresión con las lumbreras abiertas y el barrido de gases es menos eficaz. Cuando se compara un motor actual de 4 tiempos con un motor de 2 tiempos desarrollado hace 30 años suele ser más contaminante. Por otro lado, suelen dar más par motor en la unidad de tiempo (potencia) para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. En el pasado fueron sumamente populares por sus elevadas prestaciones, sencillez y bajo peso en las motocicletas hasta una cierta cilindrada, ya que al aumentar esta, dejan de trabajar en condiciones óptimas, su eficiencia se desploma y su consumo era excesivo.

Ejemplos: Aprilia SR 50 Ditech (ciclo 2 tiempos): consumo medio 1,72L/100Km. según usuario Spritmonitor (6,5CV a 7800RPM)

Honda zoomer 50(ciclo 4 tiempos): consumo medio 2,36L/100Km según usuario Spritmonitor. (4CV a 7500RPM)

Este tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, cortasetos, motosierras, etc.), ya que es más barato y sencillo de construir, además, al contar con la potencia justa para la aplicación trabajan constantemente en condiciones óptimas por lo que su eficiencia aumenta y su emisión de contaminantes en valores absolutos es baja dada su eficiencia y pequeña potencia.

Ciclo de 6 tiempos (3 vueltas de cigüeñal)

Este ciclo fue pensado para mejorar la eficiencia del sistema. Muchos diversos diseños han sido propuestos pero muy pocos han sido construidos.

Se han logrado eficiencias destacables con motores híbridos 4/6 tiempos; en estos se utilizan dos pistones realizando el trabajo normal de 4 tiempos, mientras un tercer cilindro se encarga de comprimir los gases quemados, inyectarles agua, generar trabajo con el empuje de la transformación del agua y expulsión a la atmósfera de los gases. Lamentablemente esta eficiencia solo se daba en condiciones de carga total y es bastante voluminoso reduciendo su aplicación a generación.

Un motor de ciclo de 6 tiempos resumido sería:

• Durante la primera fase, el pistón se desplaza hasta el PMI (Punto Muerto Inferior) y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto significa que entra de forma gaseosa).
• Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, una chispa en la bujía enciende la mezcla.
• Durante la tercera fase, se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón, que la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
• Durante la cuarta fase el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior) comprimiendo los gases de nuevo.

• Durante la quinta fase se inyecta agua a la cámara que absorbe el calor de los gases quemados, las paredes y el pistón, evaporándose, expandiéndose y generando presión que es aprovechada por el pistón en su movimiento hacia el PMI. Se repite la transformación desde la energía mecánica transmitida al pistón.
• Durante la sexta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS (Punto Muerto Superior), expulsando la mezcla de gases quemados y vapor de agua acumulado.

Eficiencia

Artículo principal: Rendimiento térmico

El rendimiento (o la eficiencia) de un ciclo de Otto se calcula como sigue:^[1]

${\displaystyle \eta =1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}}$

Siendo ${\displaystyle \gamma =\frac{C_p}{C_v}}$ y ${\displaystyle r=\frac{V_A}{V_B}=\frac{V_D}{V_C}}$ (ver diagrama más arriba del Ciclo de Otto).

Para compensar el llenado del cilindro a diferentes velocidades de giro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo.

La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación.

Destacar el caso de MAZDA SKYACTIV donde mediante una doble inyección consiguen una compresión 15:1 con combustibles normales. La primera inyección se realiza mientras se llena el cilindro con aire y deja una mezcla demasiado pobre que no puede arder por sí misma. La segunda inyección se realiza cuando el pistón está llegando al P.M.S. y su función es crear una zona de mezcla rica alrededor de la bujía para asegurar la ignición del conjunto..

Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía.

El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30 %, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45 %, debido precisamente a su mayor relación de compresión.

Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar variando la entrega de potencia constantemente. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial (cuanto menos carga porcentualmente, peor rendimiento), ya que, cuando esto sucede, la cámara de compresión mantiene su volumen dando una compresión real baja y transformando gran parte de la energía en calor.

Algunos fabricantes han fabricado motores con sistemas de compresión variable, pero siempre dedicado a variar de aproximadamente 7:1 a 14:1, en relación con las velocidad de giro del motor(la eficiencia del bombeo y o el nivel de soplado del turbo.)

Potencia

La potencia producida por el ciclo de Otto es una energía desarrollada por unidad de tiempo. Los motores Otto pueden ser motores de cuatro tiempos o de dos tiempos.

Del análisis de ciclo anterior, el trabajo neto producido por el sistema:

${\displaystyle \sum \text{ Trabajo}=T_{1-2}+T_{3-4}=\left(U_2-U_1\right)+\left(U_4-U_3\right)=+4-5=-1}$

(usando la convención de signos, el signo menos implica que la energía está abandonando el sistema como trabajo)

Si las unidades utilizadas fueran MKS, el ciclo habría producido un joule de energía en forma de trabajo. Para un motor de un desplazamiento particular, como un litro, la masa de gas del sistema se puede calcular asumiendo que el motor está funcionando a temperatura estándar (20 °C) y presión (1 atm). Usando la Ley Universal de los Gases, la masa de un litro de gas está a temperatura ambiente y presión al nivel del mar:

${\displaystyle M=\frac{PV}{RT}}$

V=0,001 m³, R=0,286 kJ/(kg·K), T=293 K, P=101,3 kN/m²

M=0,00121 kg

A una velocidad del motor de 3000 RPM hay 6000 tiempos/minuto o 100 tiempos/segundo.

${\displaystyle \sum \text{ Trabajo}=1\text{J}/(\text{kg}\cdot \text{tiempo})\times 0,00121\text{kg}=0,00121\text{J}/\text{tiempo}}$

La potencia es 25 veces mayor, ya que hay 25 tiempos / segundo

Si el motor es de varios cilindros, el resultado se multiplicaría por ese factor. Si cada cilindro tiene un desplazamiento de litros diferente, los resultados también se multiplicarían por ese factor. Estos resultados son el producto de los valores de la energía interna que se asumieron para los cuatro estados del sistema al final de cada uno de los cuatro tiempos (dos rotaciones). Fueron seleccionados sólo con fines ilustrativos y, obviamente, son de escaso valor. La sustitución de los valores reales de un motor real produciría resultados más cercanos a los del motor. Dichos resultados serían más altos que los del motor real, ya que hay muchas suposiciones hechas en el análisis que pasan por alto las ineficiencias. Tales resultados sobrestimarían la producción de energía.

Proporción de aire y combustible

En los motores de gasolina.

Esta proporción ha de permanecer lo más uniforme posible, dentro de unos estrechos márgenes de variación, se denomina factor lambda y se sitúa entre 12,6-15,4 partes de aire en peso por cada parte de gasolina en peso, dependiendo del objetivo a obtener:

- 12,6:1 (lambda= 0,86) El máximo de par y potencia. Esta mezcla tiene exceso de combustible (dejando hidrocarburos sin quemar), la temperatura media será más baja (con las consiguientes ventajas para la mecánica) y se aprovecha mejor el oxígeno disponible.

- 14,7:1 (lambda=1) El compromiso adoptado por la industria para evitar contaminar y consumir. La mayoría de vehículos tienen sistemas anticontaminación que solo funcionan correctamente cuando se conserva esta relación de combustible-aire.

- 15,4:1 (lambda= 1,05) Mejor eficiencia. Con esta mezcla se asegura el quemado de todo el combustible utilizado, la temperatura media será más alta y sobra oxígeno que se combina con el nitrógeno del aire produciendo NOX.

En los motores de gas-oil.

Se aprovecha la baja necesidad de oxígeno en la combustión para trabajar con relaciones muy pobres que permiten mejorar el consumo a costa de producir NOX; para contrarrestar este exceso de NOX y otras partículas se utilizan complejos y caros sistemas de anticontaminación.

Control del par motor

Se efectúa controlando la cantidad de aire o mezcla carburada que entra al motor, mediante una mariposa. La mariposa puede estar gobernada por el conductor directamente o electrónicamente. De esta manera ajusta el conductor el par motor a la carga motor.

La eficiencia o rendimiento de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores resumidos en dos bloques: pérdidas por calor y pérdidas por fricción.

Pérdidas por calor: todo calor que transportan los gases de escape por encima de la temperatura atmosférica son pérdidas que van a la atmósfera, asimismo cualquier aporte de calor se considera una pérdida (un motor ideal no generaría calor ya que toda la energía se convertiría en mecánica)

Pérdidas por fricción: los componentes mecánicos del sistema y el propio bombeo de gases generan perdidas por fricción.

En el ciclo Otto los motores trabajan en un rango de presiones de combustión de 25 a 30 bares, partiendo de una relación de compresión de 9 a 10, y en los que la relación de aire/combustible (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1.

Invención del motor de combustión interna

El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto.

Otto construyó su motor en 1866 junto con su compatriota Eugen Langen. Se trataba de un motor de gas que poco después dio origen al motor de combustión interna de cuatro tiempos. Otto desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos.

Disposición típica de un ciclo Rankine 1. Bomba, 2. Caldera, 3. Turbina, 4. Condensador

El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre las mismas temperaturas, este es límite máximo de eficiencia que impone el segundo principio de la termodinámica. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

El calor es suministrado a un fluido, típicamente agua a alta presión, a través de una caldera, en donde se convierte en vapor sobrecalentado que hace girar una turbina, posteriormente el vapor vuelve a estado líquido en un condensador donde libera el calor residual y se dirige a una bomba que vuelve a aumentar la presión del fluido para reingresar a la caldera y así completar el ciclo.

Proceso

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.

Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-S de un ciclo Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.

El diagrama T-s (temperatura y entropía) de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

• Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
• Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
• Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
• Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.

En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).

Variables

${\displaystyle {\dot{Q}}_{ent}}$	Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)
${\displaystyle \dot{m}}$	Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
${\displaystyle \dot{W}}$	Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)
${\displaystyle \eta }$	Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)
${\displaystyle h_1}$, ${\displaystyle h_2}$, ${\displaystyle h_3}$, ${\displaystyle h_4}$	Entalpías específicas de los estados principales del ciclo

Ecuaciones

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.

${\displaystyle \frac{{\dot{Q}}_{\mathit{e}\mathit{n}\mathit{t}}}{\dot{m}}=h_1-h_4}$	${\displaystyle \frac{{\dot{W}}_{\mathit{t}\mathit{u}\mathit{r}\mathit{b}\mathit{i}\mathit{n}\mathit{a}}}{\dot{m}}=h_1-h_2}$
${\displaystyle \frac{{\dot{Q}}_{\mathit{s}\mathit{a}\mathit{l}}}{\dot{m}}=h_2-h_3}$	${\displaystyle \frac{{\dot{W}}_{\mathit{b}\mathit{o}\mathit{m}\mathit{b}\mathit{a}}}{\dot{m}}=h_4-h_3}$
${\displaystyle \eta =\frac{{\dot{W}}_{\mathit{t}\mathit{u}\mathit{r}\mathit{b}\mathit{i}\mathit{n}\mathit{a}}-{\dot{W}}_{\mathit{b}\mathit{o}\mathit{m}\mathit{b}\mathit{a}}}{{\dot{Q}}_{\mathit{e}\mathit{n}\mathit{t}}}}$

Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo que nos permite conocer los flujos másicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energía perdida.

Mejoras del Ciclo Rankine

La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:

1. Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
2. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.
3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por la resistencia de los materiales a soportar altas temperaturas.
4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Dino) (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.

Extracción de vapor

En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador una proviene de una extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansión total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que ha sufrido la expansión completa a la de la extracción. En esta variación del ciclo Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a la instalación una bomba más y un mezclador de flujos.

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. El motor Stirling original fue inventado, desarrollado y patentado en 1816 por el clérigo e inventor escocés Robert Stirling (1790-1878) con la ayuda de un hermano ingeniero.^[1]

A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isócoras y un sistema de regeneración entre las isócoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina.

Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling.

Ciclo Stirling ideal

Gráfico que muestra el ciclo Stirling ideal con sus cuatro procesos.

El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:

• 1-2. Expansión isotérmica del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.
• 2-3. Cesión de una cantidad de calor ${\displaystyle Q_{\text{reg}}}$ al regenerador a volumen constante (isocórico o isócoro), disminuyendo la temperatura del fluido.
• 3-4. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.
• 4-1. Absorción de calor a volumen constante. El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor ${\displaystyle Q_{\text{reg}}}$ y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión.