CICLO DE HIRN (Actualizado a Mayo de 2002)

Introducción:

Ya vimos en el punto anterior que un ciclo de Rankine es termodinámicamente muy similar a su ciclo de Carnot correspondiente. Sin embargo tiene algunos defectos de importancia:

En primer lugar, 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.

Un tercer inconveniente de los ciclos de Rankine es que a medida que la presión en la caldera sube (lo cual implica mayor temperatura de fuente caliente), el vapor después de la expansión sale a un título aún menor (es decir con más agua).

En las siguientes figuras se ilustran estos inconvenientes o desventajas.  

Rankine con Tllama como fuente caliente En este diagrama con ciclo de Carnot

correspondiente se ve que hay gran pérdida de exergía. Además el

punto (2) sale en zona de vapor húmedo.

En este diagrama T-S vemos que, si utilizamos un combustible en la caldera, aunque la pérdida de eficiencia con respecto al Carnot correspondiente es "aceptable" si uno considera la temperatura de la caldera como fuente caliente, esta es muy elevada si uno considera la temperatura de llama como la fuente caliente. Además vemos que el vapor sale de la máquina con título pequeño, por lo tanto el vapor de descarga es bastante húmedo.

Comparación de dos ciclos Rankine en que se sube presión del segundo

En esta figura vemos el efecto de aumentar la presión (y temperatura) en la caldera. A medida que esta sube, el punto (1) se corre hacia arriba y la izquierda, por lo tanto la descarga de la máquina, punto (2) también se corre a la izquierda y el vapor sale más húmedo. El nuevo punto de salida del vapor de la caldera es (1') y el de descarga de la turbina el (2').

Ciclo de Hirn o de Rankine con sobrecalentamiento

La solución a ambos problemas implica introducir un sobrecalentamiento del vapor. Es decir, el vapor se saca de la caldera y se sigue calentando (aumentando su temperatura) a presión constante. Esto se ilustra en el diagrama T-S adjunto. Este ciclo de Rankine con sobrecalentamiento se conoce como ciclo de Hirn. La descripción detallada del ciclo se da en el próximo párrafo.

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

 Esquema bloques de ciclo de vapor de Hirn

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 alexpansor 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.

 Diagrama p-V de ciclo de vapor de Hirn

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 bombaaumenta la presión del condensado de pcond a pcald , evolución (4)-(5) y reinyecta el condensado en la caldera. 

 Diagrama T-S de ciclo de vapor Hirn

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 labomba, 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.

 Diagrama T-S de ciclo de vapor de Hirn, incluyendo 

ciclo de Carnot correspondiente

Comparemos este ciclo de Hirn con su Ciclo de Carnot Correspondiente (las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscriben). Este ciclo tendrá como temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura del condensador (normalmente ligeramente superior a la ambiente) y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tllama). Las áreas en verde indican la pérdida que hay con respecto al potencial. En este caso vemos que existe una importante irreversibilidad con respecto al Ciclo de Carnot correspondiente (más que en el ciclo de Rankine).

Sin embargo, para las mismas presiones de caldera y condensador

(lo que significa igual temperatura de ebullición y condensación), es mejor el rendimiento de un ciclo de Hirn que el de un ciclo Rankine.

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 Hirn 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 Hirn será superior a uno de Rankine.