Aplicacion de La Termodinamica en Equipos

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA-PERU Fac. de Ingeniería Química

“UNIVERSIDADNACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA” FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA TERMODINAMICA

APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN EQUIPOS DOCENTE

: ING. ROSALIO CUSI PALOMINO.

: PRADO ROJAS DIANA CLARISA ALUMNOS

BULEJE MENDOZA RONALD ALEX.

CICLO

: VI “B”

ICA - PERÚ


INTRODUCCION En este trabajo daremos a conocer la importancia que tiene la aplicación de la Termodinámica en el campo de la Ingeniería, en estos casos la aplicación en algunos equipos, como en la caldera, turbina, trobera, estrangulador, compresor, etc. La termodinámica, es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico. Generalmente los cambios estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la masa, la densidad, o la resistencia. También podemos decir que la termodinámica nace para explicar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo especificaremos que calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.


OBJETIVOS: Determinar la importancia que tiene la Termodinámica en el procesos de operación de equipos. Desarrollar una evaluación matemática en cada uno de los equipos.

Dar a conocer la eficiencia del equipo, aplicando cálculos termodinámicos. medir las pérdidas de calor que se dan en una caldera utilizada para la generación de vapor y en esta forma estimar la eficiencia termodinámica del quipo.


MARCO TEORICO LEYES DE LA TERMODINAMICA Primera Ley de la termodinámica También

conocida

como principio de conservación

de

la

energía para

la

termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Eentra - Esale = Esistema Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

U=Q–W Segunda ley de la termodinámica Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin


Enunciado de Clausius En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada". Enunciado de Kelvin No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (E.absorbida) y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).Enunciado de Kelvin-Planck. Otra interpretación Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.


Tercera ley de la termodinámica La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”. Ley cero de la termodinámica El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x , y) no son dependientes del tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema. A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico ya que aquí las fuerzas electrostáticas se contradicen. Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición nula.

Sistema y ambiente En el estudio de la Termodinámica la atención está dirigida al interior de un sistema, aunque se adopte un punto de vista macroscópico, sólo se consideran aquellas magnitudes de este tipo que tienen relación con el estado interno del sistema. Para poder entender las magnitudes involucradas en este tema, se hace necesario definir los conceptos de sistema y estado de un sistema.


Sistema Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto. Ponemos unos ejemplos: Un sistema abierto: es cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.

Un sistema cerrado: es cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

Un sistema aislado: es cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él?. Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. Medio externo Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio está formado por el mechero, el aire, etc.


Equilibrio térmico Toda sustancia por encima de los 0º Kelvin (-273.15º Centígrados) emite calor. Si 2 sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. Nota: estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia emite más calor a la misma temperatura.

Variables termodinámicas Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

Estado de un sistema Un sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámicas se llama sistema termodinámico y la situación en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del sistema. Equilibrio térmico Un estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema. El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor al que tiene más baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Algunas definiciones útiles en termodinámica son las siguientes.


Foco térmico Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura. Contacto térmico Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro.

Procesos termodinámicos Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son: Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía. Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna. Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.


MARCO TEORICO 1.- APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN LA CALDERA. Las pérdidas de calor en la caldera se dan por medio de radiación y convección. Para determinar estas pérdidas se realizaron mediciones puntuales de la temperatura en la capa exterior de la caldera, es decir de las paredes del sistema. Se utilizó para ello un pirómetro. Además, se midió la concentración de carbono presente en los gases de combustión generados por el diesel utilizado para el funcionamiento del equipo. Esta medición de los gases de combustión es necesaria para conocer la eficiencia de la caldera, ya que permite establecer la transferencia exacta de calor al agua para producir vapor. MARCO TEORICO

CALDERA Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión, como se indicó al inicio, no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado. Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado. Las calderas se clasifican por su diseño en pirotubulares o acuatubulares. Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales de que están construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido portador de calor que emplean. . (Vista esquemática de una Caldera Pirotubular)


Los componentes fundamentales del dispositivo caldera, son: Agua de alimentación: Es el agua de entrada que ingresa al sistema, generalmente constituye agua de pozo o agua de red. Esta agua se almacena en una cámara la cual se diseña de manera que el nivel del agua sobrepase a los tubos o conductos que contienen los gases de combustión. Esto se hace con el objetivo de que los gases de combustión transfieran parte de su energía al agua de alimentación, y así se acelere su conversión en vapor. Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco: Vapor de óptimas condiciones. Se almacena en una cámara, separado del agua en suspensión que aún no ha sufrido evaporación.

Vapor húmedo: Vapor con arrastre de espuma proveniente del agua de alcalinidad elevada. Condensador: Sistema que permite condensar el vapor formado por el sistema. Desaireador: Es el sistema que expulsa los gases de combustión a la atmósfera. Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado en el fondo de la caldera, por ejemplo: residuos sólidos provenientes de agua "dura". Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.

Productos usados para la combustión: Los elementos que constituyen los productos de la combustión básicamente son: carbono, azufre, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno. La combinación de estos elementos origina una gran variedad de compuestos producto de la combustión, tales como anhídrido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de agua, cenizas, anhídrido sulfuroso e hidrocarburos no quemados, que forman los productos de la combustión. La determinación de la composición de la mezcla de gases de combustión se efectúa con la ayuda de un Aparato Orsay PÉRDIDAS DE CALOR El sistema caldera, puede tener pérdidas por radiación, convección y por purga. Las pérdidas por radiación las constituyen el calor que se escapa a través de la superficie de las paredes. Cuando se disipa calor por medio de fluidos con distinta temperatura se denomina convección. Las pérdidas por purga están constituidas por el calor que escapa al eliminar los sólidos o impurezas disueltos en el agua, y que se han acumulado dentro de la caldera.


FACTOR DE VAPORIZACIÓN DE CALDERA Este factor corresponde a la cantidad de calor que debe ser absorbido por un kilogramo de agua líquida alimentada a 100°C para convertirse en un kilogramo de vapor de agua a 100°C. Factor Vaporización = Entalpía vapor a 100° C – Entalpía agua líquida a 100° C

IMPORTANTE: EFICIENCIA DE CALDERA Corresponde al porcentaje o razón de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera, es la relación entre la energía absorbida para la evaporación o generación de vapor (Q salida) y la suma de energías introducidas al proceso (Q entrada). Q salida / Q entrada = Eficiencia Estudios realizados, por ejemplo tenemos: Comprendido de manera conceptual el funcionamiento de una caldera, se muestra en un diagrama de bloques la relación de flujos a través del equipo: Flujos en el sistema Caldera No Ideal


Evaluación de la eficiencia Para realizar el análisis de eficiencia se debe estar tener presente que en la actualidad no existen calderas, y en general maquinaria, que tenga una eficiencia del 100 % puesto que se dan pérdidas de calor, en concordancia con la segunda ley de la termodinámica. Ver Diagrama de Sankey a continuación. El objetivo de la práctica se enfoca en el análisis de eficiencia de una caldera no ideal. Calcular la eficiencia de la caldera. Las perdidas por radiación y convección y las perdidas por purga deben determinarse mediante mediciones. Se estima que las pérdidas por radiación y convección tienen un valor promedio de 1%. Las pérdidas por purga se estiman en un 2.5% Determinar la entalpía del vapor de agua que sale de la caldera. Se busca en las tablas de vapor la entalpía correspondiente a la temperatura y presión a las que sale el vapor.

Veamos:


Eficiencia de Caldera: Eficiencia de caldera = eficiencia de combustión - pérdidas por radiación/convección - pérdida por purga Eficiencia de caldera =86% - 2.5 % -1% = 82.5% Cálculo de la temperatura del agua de alimentación Base de cálculo: 1 kg de agua de alimentación

Eentrada=Esalida m1h1+ m2h2 = m3h3 m1= 0.2 kg m2 = 0.8 kg m3=1 kg

T1= ¿? T2= 70ºC T3= 60ºC

h2=293.07 kJ/kg h3=251.18 kJ/kg

h1=(m3h3 - m2h2)/m1=(1kg · 251.18 kJ/kg - 0.8kg · 293.07 kJ/kg)/0.2kg h1=83.62 kJ/kg de las Tablas de Vapor

T1 =19.9ºC

Observación: tipo de combustible

Importancia de La Elección de un Buen Combustible en las Calderas Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas. Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas. El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías: Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera. Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.


CONCLUSIONES: . La caldera es un sistema que cumple los principios de la primera ley de la termodinámica, ya que la energía utilizada para el calentamiento del agua proviene de una combustión. Así mismo, la energía que no se pudo utilizar en el calentamiento del agua se pierde en forma de calor por radiación y convección, en los gases de combustión y agua de purga como conducción. La energía no utilizada no se destruye. La caldera es un sistema que opera bajo lo establecido por la segunda ley de la termodinámica, menor al 100% de eficiencia, debido a distintas pérdidas durante el proceso. La más importante se debe a la diferencia de temperaturas entre la superficie de la caldera (fuente aproximadamente a 55°C) y la temperatura del ambiente (sumidero a 23°C), lo cual crea una pérdida de energía en forma de calor. El calor liberado por la caldera al ambiente es de 4,114,687.50 Btu/hora


2.- APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN TURBINA MARCO TEORICO:

TURBINA Una turbina es una máquina a través de la cual transita un fluido de manera continua, y que la atraviesa en un movimiento rotativo de un eje. Es común la confusión entre una turbina y un turborreactor, tipo de motor empleado en jets comerciales; en este contexto en estricto rigor la turbina es solo un componente del turborreactor, que consta de otras etapas como las de compresión e ignición. Tampoco hay que confundir la turbina con los generadores, ya que en ocasiones se aprovecha el movimiento rotatorio del eje de la turbina para generar por ejemplo electricidad, como veremos más adelante. El fluido del que se habla puede ser líquido, como sucede en las turbinas hidráulicas que se encuentran en las centrales hidroeléctricas, así como también puede ser vapor de agua o ciertos gases generados de la combustión de algún combustible, tal como es el caso de las turbinas de vapor y de gas. Una turbina, como se mencionaba, es una turbo máquina, que consta de un eje de rotación que se mueve gracias a una o dos ruedas con paletas adosadas, las que se denominan rotor y estator. El rotor se mueve gracias al impulso que le da el fluido con su movimiento continuado, arrastrando el eje que permite el movimiento de rotación.

CICLO TERMODINÁMICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como Ciclo Rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en un Ciclo Rankine ideal: 1-2. Proceso de bombeo adiabático y reversible. 2-3. Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión constante. 3-4. Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina. 4-5. Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante en el condensador.


Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de vapor. Si los cambios en la energía cinética y potencial (presión y temperatura) del fluido de trabajo no son considerados, el calor transferido y el trabajo pueden representarse por áreas en el diagrama. El área comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido al fluido de trabajo, mientras que el área comprendida por los puntos a-1-4-b-a representa el calor transferido desde el sistema. El trabajo neto realizado está representado por el área comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo.


Esquema del ciclo básico de las turbinas de vapor.


Veamos:

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS DE VAPOR. Existen varias clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los tipos fundamentales que nos interesan son:

-

1)

Según el número de etapas o escalonamientos:

Turbinas monoetapa, son turbinas que se utilizan para pequeñas y medianas potencias.

2) Turbinas multietapa, aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y además interesa que el rendimiento sea muy alto. -

Según la presión del vapor de salida:

1) Contrapresión, en ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el proceso. 2)

Escape libre, el vapor de escape va hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energía pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento, etc.

3) Condensación, en las turbinas de condensación el vapor de escape es condensado con agua de refrigeración. Son turbinas de gran rendimiento y se emplean en máquinas de gran potencia.

-

1) 2)

1)

Según la forma en que se realiza la transformación de energía térmica en energía mecánica: Turbinas de acción, en las cuales la transformación se realiza en los álabes fijos. Turbinas de reacción, en ellas dicha transformación se realiza a la vez en los álabes fijos y en los álabes móviles. Según la dirección del flujo en el rodete. Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo un con que tiene el mismo eje que la turbina. Es el caso más normal.


2)

Radiales, el paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.

CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GAS El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton. A pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza con una composición o en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos. Algunos autores como Sonntag, Borgnakke y Van Wylen (5), clasifican los procesos de una turbina a gas como de ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.

El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: 1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-5. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.


Ciclo termodinámico básico de las turbinas de gas. En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir:

Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como:

y el calor de adición por unidad de masa será:

Al igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado:

La eficiencia térmica del ciclo Brayton para un gas ideal puede escribirse como:


En la figura se muestra una representación esquemática del ciclo Brayton.

Esquema del ciclo básico de las turbinas de gas.

VEAMOS:


Análisis Termodinámico: Evaluación matemática Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo L es considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; c es la velocidad, u es la energía interna, p es la presión, z es la altura, q es el calor transferido por unidad de masa y v es el volumen específico. Los subíndices s se refieren a la salida y e se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones: Consideraremos este proceso como adiabático. q=0 El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja densidad de los gases. gze - gzs = 0 Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de trabajo:

El termino h es la entalpía la cual se define como h = u + pv.


3.- APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN LOS COMPRESORES MARCO TEORICO:

COMPRESOR Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y,

generalmente,

también

de

temperatura;

a

diferencia

de

los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.


Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como: Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado. Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton. Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento. se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

Existen hoy en día dos tipos de compresores: Alternativos Rotatorios Los compresores alternativos o de desplazamiento: Se utilizan para generar presiones altas mediante un cilindro y un pistón. Cuando el pistón se mueve hacia la derecha, el aire entra al cilindro por la válvula de admisión; cuando se mueve hacia la izquierda, el aire se comprime y pasa a un depósito por un conducto muy fino. Los compresores Rotatorios: Los Compresores rotatorios producen presiones medias y bajas. Están compuestos por una rueda con palas que gira en el interior de un recinto circular cerrado. El aire se introduce por el centro de la rueda y es acelerado por la fuerza centrífuga que produce el giro de las palas. La energía del aire en movimiento se transforma en un aumento de presión en el difusor y el aire comprimido pasa al depósito por un conducto fino. El aire, al comprimirlo, también se calienta. Las moléculas de aire chocan con más frecuencia unas con otras si están más apretadas, y la energía producida por estas colisiones se manifiesta en forma de calor. Para evitar este calentamiento hay que enfriar el aire con agua o aire frío antes de llevarlo al depósito. La producción de aire

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA-PERU Fac. de Ingeniería Química comprimido a alta presión sigue varias etapas de compresión; en cada cilindro se va comprimiendo más el aire y se enfría entre etapa y etapa.

EVALUACION MATEMATICA:


4.- APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN LAS BOMBAS DE CALOR MARCO TEORICO

BOMBAS DE CALOR

(Diagrama de flujo de una bomba de calor.)

Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan. Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza -principalmente- por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una Válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual

puede

invertir

el

sentido

del

flujo

de refrigeración,

transformando

el

condensador en evaporador y viceversa. El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatización o HVAC, así como en sistemas domésticos de aire acondicionado, dado que el ciclo reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de extraer como de ingresar energía al medio -"enfriar" o "calentar"- con un mismo equipo, controlando arranques, paradas y el ciclo reversible en forma automática. Gracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina como para controlar el ambiente de un invernadero.


En la actualidad, y en pos del ahorro energético, cada vez es más usual encontrar arreglos de bombas de calor asistidos por colectores solares y en sistemas geotérmicos.

Funcionamiento

Válvula inversora de ciclo o "válvula de cuatro vías".

Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante con un

bajo punto

de

ebullición.

Éste

requiere energía (denominada calor

latente)

para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor. El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, el que eleva supresión aumentando así su energía interna. Éste, al pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco caliente porque está aún más caliente que éste, donde cambia su estado a líquido. Después se le hace pasar por una válvula de expansión, donde recupera la presión inicial y se enfría bruscamente. Luego pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío, puesto que está más frío que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado, regresa al compresor, cerrándose el ciclo. La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la salida (descarga) del compresor y, según la temperatura del medio a climatizar (sensada en la presión de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante.


Rendimiento La cantidad de

calor que

se puede bombear depende de la diferencia

de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina. Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:

Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.


PROCESOS TERMODINÁMICOS Si sobre un sistema se realiza un proceso termodinámico de modo tal que no haya intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se lo denomina proceso adiabático. Este tipo de proceso tiene lugar si el sistema estuviera perfectamente aislado térmicamente o bien si se lo realiza suficientemente rápido como para que no haya tiempo suficiente para que se produzca un intercambio de calor con el medio circundante. Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realiza lentamente, de modo que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio circundante, el proceso es isotérmico. Cuando el proceso es intermedio entre estos dos extremos (adiabático e isotérmico) el proceso se denomina politrópico. A presiones moderadas, P=3 bar, casi todos los gases pueden ser considerados como ideales. Esto significa que, entre otras propiedades, ellos se comportan siguiendo la ecuación de estado: P.V = n RT P: Presión absoluta del gas, V: Volumen, T: Temperatura absoluta, N: Número de moles del gas R: La constante universal de los gases.

Es importante considerar que para estudiar las propiedades de un gas es crucial evitar la presencia de vapores (agua) en el mismo, ya que los vapores no siguen la misma ley. Cuando a un gas se lo somete a distintos procesos termodinámicos, el mismo sigue trayectorias en un diagrama PV que son características del tipo de proceso al que es sometido.


BOMBA MEDIANTE ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO (GAS)

Descripción: a) Succión: En esta etapa el pistón se mueve en forma ascendente, mediante la acción del suministro neumático que ingresa a la bomba por la parte inferior del actuador. De esta manera el líquido es succionado hacia la bomba. Cabe señalar que la válvula check de la descarga de dicha bomba impide el retroceso del flujo, permitiendo que el líquido succionado sea solamente el de la línea de entrada (liquido).


b) Descarga: En esta etapa el suministro neumático ingresa por la parte superior del actuador, realizando el movimiento del pistón de manera descendente, permitiendo así la descarga del líquido succionado en la etapa anterior. Nótese que la válvula check a la entrada impide el retroceso del flujo, por lo que el el desplazamiento del fluido a alta presión solamente se realiza hacia la salida de la bomba (liquid out).


BIBLIOGRAFIA: Revista electrónica Nº 13 ( universidad Rafael Landivar) Manual del Ingeniero Químico. Libro de introducción a la termodinámica de Smith Van Dess. Libro de Termodinámica de Balzhiser.

Aplicacion de La Termodinamica en Equipos

Recommend Documents