Aplicacion de termodinamica en la industria.pdf

*CARVAJAL L; ECHEVERRI Y; ROJAS D; SALGADO M.

APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA INDUSTRIA RESUMEN La termodinámica es una ciencia y, quizá la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo. De esta definición básica parte gran cantidad de aplicaciones en el vasto mundo de la ingeniería. s impresionante ver cómo la termodinámica es un pilar fundamental para muchos de los procesos que se llevan a cabo en la indu indust stria ria quím químic ica, a, y más más aun aun en proc proces esos os de inge ingeni nier ería ía de !lim !limen ento tos. s. "encionar algunos ejemplos de aplicación como lo es en turbinas, unidades de refr refrig iger erac ació ión n en dond donde e se empl emplea ea el prop propan ano, o, de igua iguall mane manera ra en la compresión de gases# entre otros.

Palabras claves: termodinámica, industria, primera ley. ABSTRAC $her $hermo mody dyna namic micss is a scie scienc nce, e, and and perh perhap apss the the most most impo import rtan antt tool tool in engineering, since it is responsible for describing the processes that involve changes in temperature, energy transformation, and the relationship bet%een heat and %or&. 'art of this basic definition %ide range of applications in the vast %orld %orld of engi engine neer erin ing. g. (t is impre impress ssiv ive e to see see ho% ho% ther thermo mody dyna namic micss is an essential pillar for many of the processes that ta&e place in the chemical indu indust stry ry,, and and even even more more in )ood )ood engin enginee eerin ring g proc proces esse ses. s. "ent "ention ion some some e*amples of application such as turbines, refrigeration units %here propane is used, just as in the compression of gases, among others.

Keywors: thermodynamics, industry, the first la%. , INTRODUCCION La 'rimera ley de la termodinámica sistem sistema a es un recipi recipient ente e metáli metálico co se refi refier ere e al concepto de energía con agua# agua# podemos elevar la +os dice dice temp temper erat atur ura a del del agua por fricci fricción ón interna, trabajo y calor . +os que si sobre un sistema sistema con una con una cuchara o por dete determ rmin inad ada a ener energí gía a inte intern rna, a, se calentamiento directo en un rea realiz liza un trab traba ajo med median iante un mechero# en el primer caso, proceso, proceso, la energí rgía int interna del estamos haciendo un trabajo sobre sistema variará. sistema variará. ! la diferencia de la el sist istema y en el segundo le energía interna del sistema y a la transmitimos calor . cantidad de trabajo le denominamos calor . l l calor es la energía abe aclarar que la energía interna transferida al sistema por medios no medios no de un sistema, el trabajo y trabajo y el calor mecánicos. 'ensemos que nuestro no son más que diferentes *Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA TERMODINAMICA LORENCIA CA!UETA


manifestaciones de energía. s por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un

proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones. La

ecuación

general

para

un

-/$(0-1

A!l"cac"o#es e la Pr"$era Ley •

S"s%e$as cerraos:

2n sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. $ambi3n es conocido como masa de control. l sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a trav3s de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado 4despreciando energía cin3tica y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico5 es6 7U 8 Q 9 W Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo el3ctrico, mecánico y de frontera# y U es la energía interna del sistema. •

sistema abierto en un intervalo de tiempo es6 - igualmente6 Q 9 W

;

mout =out 7E sistema out

< min=in 9 < in

8

Donde6 in representa todas las entradas de masa al sistema. Out representa

todas las salidas de masa desde el sistema. = es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía potencial y energía cin3tica6 La energía del sistema es6

La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado 4entre t 0 y t 5 es6

S"s%e$as ab"er%os&

2n sistema abierto es aquel que tiene entrada y:o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, tambi3n puede realizar trabajo de frontera.

*Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA LORENCIA CA!UETA

S"s%e$as ab"er%os es%ao es%ac"o#ar"o

•

e#


l balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario 4tambi3n conocido como estado estable5. n estado estacionario se tiene 7 E sistema 8 >, por lo que el balance de energía queda6

•

Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior2

APLICACIONES TERMODINAMICAS EN IN'ENIERIA 'odemos empezar por ver las turbinas, bien sean accionadas con vapor o turbinas de gas. Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor o los gases de combustión entran por las toberas y se e*panden hasta una presión más baja. !l hacerlo la corriente de vapor:gas, adquiere una gran velocidad. 'arte de la energía cin3tica de este chorro es cedida a los alabes de la tur?bina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. !dicionalmente, la turbina puede ir unida, bajo un mismo eje con un compresor# este se conoce como integración energ3tica en la que el trabajo generado por la turbina lo emplea el compresor para comprimir el gas a la presión que se necesita. s mas, en varias plantas de proceso, específicamente en una de L'@ he visto como se hace todo *Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA LORENCIA CA!UETA

un estudio completo de ingeniería para poder implementar la integración energ3tica entre corrientes de proceso mediante el uso de inter?cambiadores de calor 4feedbottom, feedeffluent, etc...5. La integración energ3tica anteriormente mencionada es un ejemplo real de cómo se manejan las plantas turboe*pander para la recuperación de los licuables de una corriente de gas de alta presión. ( Las unidades de refrigeración son otro ejemplo de la termodinámica aplicada a la industria, sobre todo en las plantas mencionadas se emplean sistemas de refrigeración con propano para los sistemas de enfriamiento, que generalmente son chillers donde el propano se bombea por la coraza y se evapora completamente con el fin de enfriar o condensar la corriente de proceso# estas unidades utilizan el principio de enfriamiento por evaporación, son intercambiadores tipo &ettle debido al alto porcentaje de vaporización del propano.A 2na pregunta muy comBn es qu3 pasa cuando un fluido a alta presión, específicamente un gas, pasa por una válvula y se despresuriza, qu3 pasa con la temperatura antes y despu3s, qu3 pasa con la entalpía antes y despu3s de la válvulaC, estas preguntas se responden empleando la termodinámica básica. La aplicación mas comBn de la compresión de gases se puede ver en las plantas donde se hace gas lift, gas gathering, recuperación de he?lio, recuperación de condensados, transmisión y


distribución, reinyección de gas para mantener la presión de un pozo, almacenamiento de gas, licuefacción y transporte . -tra aplicación es la des?hidratación de gases para prevenir la formación de hidratos en las tuberías de proceso. 'rimero, se debe hacer un estudio termodinámico para saber si se forman o no se forman hidratos, sobre todo en las e*pansiones aguas abajo de una válvula, adicionalmente si se esta manejando un gas hBmedo en la planta.( n general las aplicaciones son diversas, lo importante para el ingeniero es tener los conceptos claros y e*periencia para poder tomar decisiones rápidas y efectivas, que lleven a soluciones realmente Btiles. (

TERMODIN)MICA APLICADA A LAS M)*UINAS Y LOS PROCESOS T+RMICOS apacidades y Destrezas6 l funcionamiento teórico y t3cnico de una máquina t3rmica es un conocimiento necesario en la formación de cualquier ingeniero.



"otores alternativos. tapas de funcionamiento de los motores alternativos de combustión interna de cuatro y dos tiempos. "otor de ignición por chispa y compresión. Diagrama indicador.

recorridos por un gas perfecto. iclos -tto, Diesel y Dual. $urbinas de gas. Descripción general de las instalaciones de turbinas de gas. lementos de la instalación. lasificación de las turbinas de gas. "odelado del proceso con un ciclo recorrido por un gas perfecto.



iclo ideal /oule?rayton. endimiento t3rmico. fecto de las irreversibilidades en turbina y compresor. !nálisis energ3tico del ciclo /oule?rayton irreversible. $rabajo real del compresor, turbina. "ejoras del rendimiento del ciclo. egeneración.



$urbinas de vapor. Descripción general de las turbinas de vapor. lementos de la instalación. iclo an&ine ideal. !nálisis termodinámico. 

(rreversibilidades del ciclo real. !nálisis energ3tico. riterios generales para la mejora del rendimiento. egeneración en los ciclos de vapor. $ipos de intercambiadores. -ptimización del nBmero y posición de los intercambiadores. 'roducción conjunta de calor y trabajo. ogeneración.



Diagrama idealizado. "odelado de los procesos reales mediante procesos cíclicos



"áquinas de refrigeración. La máquina frigorífica de compresión mecánica simple de vapor. l ciclo an&ine inverso. oeficiente de funcionamiento.



aracterísticas fisicoquímicas de los refrigerantes. fecto de





las propiedades del refrigerante en el rendimiento del ciclo. !nálisis energ3tico del ciclo an&ine inverso. (nstalaciones frigoríficas de absorción. iclo de absorción simple. nfriamiento /oule?$homson. urva de inversión. 

Licuefacción de gases. !nálisis energ3tico del proceso Linde. 'roceso Linde en cascada.

!ire EBmedo. aracterísticas del aire hBmedo. omportamiento termodinámico del aire hBmedo. 'rocesos de saturación adiabática. 'sicrómetros.Diagrama psicom3trico. !condicionamiento de aire. $orres de refrigeración.

desplazamiento dl # sin embargo, debe ser una fuerza e*terna. La convención de signos usual establece que el valor de W es negativo cuando el trabajo se hace sobre el sistema y positivo cuando es hecho por 3ste. n termodinámica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida sobre un área, por ejemplo, por una presión P que actBa a trav3s de un volumen V , como en el caso de una presión de fluido ejercida sobre un pistón. n esta situación, el trabajo diferencial se e*presa más convenientemente como

δ W = PdV

Traba,o $ec-#"co

Donde P es la presión e*terna ejercida sobre el sistema. 4!bbott y 0anness, F5G

l trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actBa sobre el sistema lo mueve a trav3s de una distancia. $al como en mecánica este trabajo se define por la integral

l trabajo mecánico se realiza a trav3s del desplazamiento de una masa.

W = ∫ Fdl

donde F es la componente de la fuerza que actBa en la dirección del desplazamiento dl . n la forma diferencial esta ecuación se escribe6

δ W = Fdl donde δ W representa una cantidad diferencial de trabajo. +o es necesario que la fuerza F en realidad provoque el *Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA LORENCIA CA!UETA

)ig. H.I


JLa )ig. H.I muestra un sistema ! formado por un recipiente lleno de agua, un termómetro y una rueda de paletas. ste sistema puede interaccionar con el sistema más sencillo !K compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida w sobre este peso. Los dos sistemas interaccionan puesto que el peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua. sta interacción es adiabática, ya que la Bnica cone*ión entre los dos sistemas es la cuerda, que sólo transmite una cantidad despreciable de calor. l parámetro e*terno que describe el sistema !K es la distancia s del peso por debajo del nivel de la polea. 1i el peso desciende una distancia ∆ s sin variación de velocidad, la energía media del sistema !K se reduce en una cantidad w∆ s, que es la disminución de la energía potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre 3l por la gravedad 4el peso desciende normalmente con velocidad constante, puesto que alcanza muy rápidamente su velocidad límite. 1i la velocidad del peso estuviese cambiando, la variación de la energía media de !K


vendría dada por la variación de la suma de las energías cin3tica y potencial del peso5. omo el sistema combinado formado por ! y !K está aislado, la energía media del sistema ! debe aumentar entonces en el proceso en una cantidad w∆ s# es decir, el peso que cae, !K, realiza un trabajo w∆ s sobre el sistema aislado adiabáticamente, !. 4er&eley, AM?AF5G

Traba,o e e.!a#s"/# uando el trabajo se debe al desplazamiento de las fuerzas de presión e*teriores que conllevan un cambio en el volumen del sistema se llama trabajo de e*pansión y se e*presa por

δ W = PdV Traba,o el0c%r"co Fig. 58

on medios el3ctricos es posible realizar trabajo de modo más conveniente y medirlo a su vez con más e*actitud 4el trabajo realmente mecánico al final, pero intervienen en 3l fuerzas el3ctricas5. La )ig. H.N muestra un dispositivo de este tipo, completamente análogo al de la )ig. H.I. !quí el sistema ! se compone de un recipiente lleno de agua, un termómetro y una resistencia el3ctrica. ! la resistencia puede conectarse una batería de fem conocida V mediante unos conductores lo suficientemente finos para mantener el sistema ! t3rmicamente aislado de la batería.


La carga q que puede proporcionar la batería es su parámetro e*terno. uando la batería suministra una carga ∆q que pasa a trav3s de la resistencia, el trabajo realizado por la batería sobre ! en este proceso es simplemente V ∆q. La resistencia juega aquí un papel completamente análogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior, de modo que ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puede realizarse el trabajo. 4er&eley, AF5G

12 l estudio de la $ermodinámica requiere ciertas OidealizacionesP. 'or ejemplo, resulta aceptable que no se pueda construir una pared adiabática perfecta. Las paredes de un OtermoP dom3stico constituyen un ejemplo práctico de pared adiabática, y todos sabemos que el mejor OtermoP no impide que al cabo de unos pocos días, el caf3 haya adquirido la temperatura ambiente, habiendo sufrido un cambio en las propiedades termodinámicas. De la misma forma podemos considerar que un matraz cerrado mediante un tapón sería un ejemplo de un sistema que deja pasar energía 4se puede calentar o enfriar5, pero no materia 4sistema cerrado5. 1in embargo, cualquier material presenta una cierta porosidad, e incluso puede ser afectado químicamente por los

".

"$!or%a#c"a y la industria *Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA LORENCIA CA!UETA

productos que contiene. Las paredes cerradas, diat3rmicas, adiabáticas, etc, a que haremos referencia deben considerarse como ideales en sus características. 'odríamos hacernos, entonces, la siguiente pregunta relativa a estas idealizaciones6Qs suficientemente adiabática la pared de un Otermo de caf3P, como para que sea utilizable en un e*perimento real, y aplicar a los resultados las ecuaciones de la $ermodinámicaC. La respuesta es que si hacemos dos medidas sucesivas de la diferencia de temperatura entre el interior y el e*terior de un Otermo de caf3P, y la diferencia en los resultados obtenidos es inferior al error admisible en este e*perimento, diremos que la pared de nuestro Otermo de caf3P es perfectamente adiabática. De la misma forma, cuando decimos que una propiedad no cambia con el tiempo, debemos entender que las posibles variaciones con el tiempo, en la medida e*perimental de dicha propiedad, son inferiores al error permitido en nuestro e*perimento.

omprender la las a!l"cac"o#es e re3r"4erac"/# en la


. ntender el 35#c"o#a$"e#%o e los c"clos b-s"cos e !ro5cc"/# e 3r6o6 ciclos de compresión de vapor 4ciclo de arnot invertido5, los ciclos de refrigeración de gas 4ciclo de rayton invertido5, los ciclos de absorción y los sistemas de refrigeración. M. epresentar los ciclos descritos por el refrigerante en los "a4ra$as %er$o"#-$"cos T7S y P78 y calcular propiedades de los mismos con esta herramienta F. alcular los coe3"c"e#%es e o!erac"/# y la ca!ac"a e re3r"4erac"/# H. onocer los re3r"4era#%es más empleados, los criterios de selección de los mismos y sus propiedades más importantes

9RERI'ERACIÓN EN LA INDUSTRIA R (L-1 D -"'1(S+ D 0!'- R (deales R 'rácticos. álculo. oeficientes de aprovechamiento R eales R )(@!+$1 R 1elección R 'ropiedades R '-D("(+$-1 + 1(1$"!1 D )(@!(S+ R ascadas R egeneración 4economizadores5 R Licuefacción de gases R 1(1$"!1 D )(@!(S+ R (L-1 D )(@!(S+ D @!1 R (L-1 D !1-(S+

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