¿Por qué el vapor es un buen fluido de trabajo para las máquinas térmicas?

Question

Vapor (H en fase gaseosa) ₂ O) se utiliza con mucha frecuencia como fluido de trabajo para los motores térmicos de combustión externa. Me parece que debe para ser una mala elección, porque:

• A no ser que esté muy confundido en algo, no tienes más remedio que tirar el calor de vaporización del fluido de trabajo cada vez alrededor de un ciclo Rankine. (Es posible que se pueda recuperar parte de él con un economizador, pero eso es un accesorio). Este inconveniente parece que debería aplicarse a todo diseños de motores térmicos que implican una transición de fase gas-líquido, pero el agua debería ser particularmente mala en este contexto porque su calor de vaporización es muy grande.

• En este sentido, las transiciones de fase son una fuente de irreversibilidad inherente y, por tanto, de pérdida de eficiencia, ¿no es así?

• El agua también tiene una capacidad calorífica específica muy alta, tanto como líquido como como gas; no estoy seguro de esta parte, pero mi mejor suposición es que quieres un fluido de trabajo con un bajo capacidad calorífica específica, de modo que la mayor parte posible de su energía térmica será energía cinética de traslación de las moléculas y, por tanto, directamente convertible en movimiento.

• El agua se condensa a 100°C, lo que está muy por encima de las temperaturas de los sumideros de frío disponibles (el aire ambiente suele estar entre 10 y 30°C; el agua fría suele estar disponible a 5°C más o menos); ¿no debería un fluido de trabajo que pudiera expandirse hasta la temperatura del sumidero de frío permitir una mayor eficiencia?

• El vapor "húmedo" es lo suficientemente reactivo como para causar diversos dolores de cabeza en la ingeniería, por ejemplo, la erosión de los álabes de las turbinas.

El nitrógeno seco y el aire seco son fáciles de conseguir a bajo precio y deberían ser lo suficientemente inertes para la mayoría de las aplicaciones (tal vez, a temperaturas muy altas, se puede recurrir al helio o al argón). Pero los motores alternativos de "aire caliente" son raros, y nadie intenta construir turbinas de gas que expandan el gas hasta el ambiente, sino que utilizan el escape como depósito caliente para una máquina de vapor.

Debe haber algo que se me escapa. Por favor, explique.

Answer 1

Dejando a un lado otros puntos, empezaría por decir que un fluido con bajo calor específico, como has especulado, no es necesariamente una buena elección; sospecho que normalmente sería malo de hecho, aunque depende de más factores.

El funcionamiento de un motor térmico, en un solo ciclo de trabajo, puede modelarse a grandes rasgos mediante expansión adiabática . He copiado la imagen:

El fluido de trabajo, típicamente gas, realiza un trabajo (positivo) moviéndose de abajo a arriba, aumentando $V$ y disminuyendo $p$ También $T$ . Para una estimación simple y aproximada, supongamos que el fluido es un gas ideal; normalmente no está muy lejos de eso en los motores civiles típicos. Entonces las isotermas tienen la forma $$p \propto TV^{-1}$$ y la curva adiabática $$p \propto V^{-\gamma}$$ donde $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$ .

Teniendo esto en cuenta, empecemos a interpretar este gráfico; en primer lugar, observe el hecho de que

• el proceso comienza en un punto en el que $T$ es el máximo según lo calentado por la fuente de calor externa;
• el proceso se detiene en un punto en el que $p$ es demasiado baja para mantener una fuerza/par de salida razonable/lo que sea.

Entonces pensemos en su "pendiente": ¿es mejor que sea empinada o plana?

Yo diría que cuanto más plano, mejor.

Ser "empinado" significa que sufre un mayor cambio en $p$ y, de alguna manera, menos (comparado con uno más plano) de eso en $V$ Piensa en ello. En el mejor de los casos podemos tener $p$ se detiene en 1atm, por lo que para una buena salida de una curva pronunciada, tendríamos que empezar en un $p$ muy superior a 1atm. Esto significa que tendríamos que diseñar nuestro motor de forma que muchas piezas tuvieran que soportar una gran presión; podríamos necesitar una cámara de presión muy robusta para calentar el fluido de trabajo. También necesitaríamos piezas móviles pesadas para sostener, en caso de fallo, por ejemplo, si el eje de salida se queda parado, posiblemente toda la presión al salir de la cámara de calentamiento. Este peso añadido contribuiría muy probablemente a la eficiencia total negativamente Además, la máquina es más difícil de construir y más peligrosa.

Entonces, suponiendo que esté de acuerdo con eso, deberíamos preferir una curva plana, para que la presión no cambie drásticamente, sino que haga el trabajo gradualmente a lo largo de una mayor expansión. Observando que, en la mayoría de los casos, la curva de la isoterma descenderá (¿cómo podría estar más caliente después de hacer el trabajo?), lo que significa $\gamma > 1$ lo mejor que podemos esperar es un $\gamma$ que se acerca a 1. Eso se consigue con un alto calor específico.

Y cuando se trata de un calor específico alto, el agua es probablemente la mejor opción que es barata y segura. Admito que la gran cantidad de energía implicada en la transición de fase suele perderse, pero se puede reciclar parte de ella, por ejemplo, podemos calentar agua fría con el vapor de los gases de escape.

Answer 2

Creo que los barcos jugaron un papel en esto. En el mar se necesita agua dulce, por lo que se calienta para evaporarla para ducharse, beber, lavar la ropa, etc. Así que parece lógico que una turbina de vapor encaje en esta mezcla de ingeniería. Cuando dejé la marina a mediados de los años 70, la mayoría de los barcos eran plantas de vapor. Una vez que los militares se dirigen en una dirección, se lleva un montón de industria con ellos.