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TERMODINÁMICATERMODINTERMODINÁÁMICAMICADORY CANO DDORY CANO DÍÍAZAZ

MScMSc. Ingeniero Civil Mec. Ingeniero Civil Mecáániconico

Junio de 2007

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

UNIDAD 2: Ciclos ideales y reales con optimizaciones

2.1.- Ciclos de Potencia de Vapor

2.2.- Ciclos de Potencia de Gas

UNIDAD 3: Mezclas de Gases y Psicometría

3.1.- Mezclas de gases y composiciones

3.2.- Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire

UNIDAD 4: Combustión

4.1.- Definiciones, reacciones químicas, Procesos de combustión teóricos y reales, entalpías de formación, etc.

UNIDAD 1: Conceptos básicos y Primera Ley de la Termodinámica

2.1.- Conceptos de Energía, Calor, Trabajo, Temperatura, Presión, Energía Interna, Entalpía

2.2.- Definición de la Primera Ley: Aplicación en Vapores y Gases en sistemas abiertos o cerrados

2.3.- Gases Ideales: Ecuación de estado de GI. Primera Ley: Aplicación de GI en sistemas abiertos o cerrados

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BIBLIOGRAFÍA:

• TERMODINÁMICA,

Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A .

Editorial McGraw-Hill

• FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA,

Moran, M. J. · Shapiro, H. N

Editorial: Editorial Reverté, S.A. ( Barcelona)

Que principios deben cumplirse para que ocurra un proceso?Que principios deben cumplirse para que ocurra un proceso?

Satisfacer la 1°LT�� Ppo de conservación de energía (Sist. Cerrados y Sist. Abiertos)

Satisfacer la 2°LT��

�Determinar nivel de degradación de la Energía de un proceso

�Dirección de los procesos

�Afirma la existencia de calidad de la energía

�Útil en la determinación de los límites teóricos de funcionamiento de sistemas WW

QQ

WW

QQ

Segunda Ley de la Termodinámica

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Las MT MT están compuestos de los sgtes subsistemas:

1) Máquina � Sistema cerrado a través del cual un fluidodescribe un proceso Cíclico

2) Focos � Fuente-Sumidero

Todas se caracterizan por:

1.1.-- Recibir calor de fuente a alta Recibir calor de fuente a alta TT°° ��TTHH

2.2.-- Convertir parte de este Q en WConvertir parte de este Q en W

3.3.-- Liberan Calor a fuente de baja Liberan Calor a fuente de baja TT°°�� TTLL

4.4.-- Operan en CicloOperan en Ciclo

Fluido al y desde el cual se realiza el proceso�Fluidode trabajo


Central TCentral Téérmica a Vapor rmica a Vapor óó GasGas Refrigeradores y BBS de CalorRefrigeradores y BBS de Calor


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Kelvin-Planck

Clausius


Conceptos a dominar e incluir en nuestro lenguaje técnico-termodinámico:

•Procesos Reversibles e Irreversibles•Depósitos de Energía Térmica

•Maquinas Térmicas: Ciclos de Potencia•Rendimiento o Eficiencia

•Eficacia

La importancia de conocer la evoluciLa importancia de conocer la evolucióón de los procesos irreversibles en el n de los procesos irreversibles en el contexto de los sistemas de produccicontexto de los sistemas de produccióón y/o transferencia de energn y/o transferencia de energíía radica en la a radica en la posibilidad de posibilidad de optimizar los procesos involucrados reduciendo a un moptimizar los procesos involucrados reduciendo a un míínimo nimo

la energla energíía disipadaa disipada de acuerdo con las restricciones fde acuerdo con las restricciones fíísicassicas.


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Modelos ‘IDEALESIDEALES’ sirven para comparar procesos ‘REALESREALES’

Producción de Trabajo � Entregan + Trabajo

Consumen Trabajo � Requieren -- Trabajo

Obs :

P. R. � regreso a estado inicial sin variación

P.I.� Regreso implica pérdidas , por lo tanto, no regresa a estado original

Mientras más cerca de un proceso reversible mayor será el trabajo entregado por un dispositivo productor de W o tanto menor el trabajo

requerido por un dispositivo consumidor de W


Variables :

Qen: Cantidad de calor suministrada al vaporal vapor en la caldera de fuente de alta T° (TH ó Tc)

Qsal: Cantidad de calor liberado desde el vapordesde el vapor en el condensador en sumidero de baja T° (TL ó Tf)

Wsal: Cantidad de trabajo entregado por el vaporpor el vapor cuando se expande en la turbina

Wen: Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera

Central TCentral Téérmica a Vaporrmica a Vapor


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Caldera

Turbina

Condensador

Bomba

G Generador

QQentradaentrada QQentradaentrada

WWentradaentrada

Masa de controlMasa de control

WWsalidasalida

Volumen de controlVolumen de control

WWsalidasalida


Variables :

QL: Magnitud del Calor extraído del espacio refrigerado a TL

QH: Magnitud del Calor liberado al ambiente a temperatura TH

Wneto,en: Entrada de trabajo neto al refrigerador

Refrigeradores y BBS de CalorRefrigeradores y BBS de Calor

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•• RefrigeraciRefrigeracióónn

VVáálvula de lvula de

ExpansiExpansióónn

CondensadorCondensador

CompresorCompresor

EvaporadorEvaporador

QQentradaentrada

QQsalidasalida

WWentradaentrada

Eficiencia TEficiencia Téérmica:rmica:

Fracción de la entrada de Calor (Qentrada= Qc=QH) que se convierte en Salida de Trabajo ó Potencia (Wneto)

Rendimiento: Salida deseada Rendimiento: Salida deseada / / Entrada requeridaEntrada requerida

Qsalida = Qf=QL :

SiempreSiempre ≠≠≠≠≠≠≠≠ 0 0 �� rendimiento NUNCA es del 100%rendimiento NUNCA es del 100%

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Conceptos bConceptos báásicos de refrigeradores y Bombas de Calorsicos de refrigeradores y Bombas de Calor

9

Unidad 4: Segunda Ley de la Termodinámica

4.1.4.4.1.4.-- Conceptos bConceptos báásicos de refrigeradores y Bombas de Calorsicos de refrigeradores y Bombas de Calor

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4.1.6.4.1.6.-- El El CCicloiclo de Carnotde Carnot

Proceso 1Proceso 1--2:2: Expansión isotérmica reversible (QH y TH=cte)Proceso 2Proceso 2--3:3: Expansión adiabática reversible ( Q=0 y TH-->TL)Proceso 3Proceso 3--4:4: Compresión isotérmica reversible (QL y TL=cte)Proceso 4Proceso 4--1:1: Compresión adiabática reversible ( Q=0 y TL-->TH)

MT que opera en un Ciclo de Carnot se llama:

Máquina térmica de Carnot-->

4 procesos reversibles

(2 isotérmicos y

2 adiabáticos)

El El CCicloiclo de Carnotde Carnot

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Los Los PPrincipiosrincipios de Carnotde Carnot

Los Los PPrincipiosrincipios de Carnotde Carnot

• El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, irrealizable en la práctica, pero usado como comparación de otros ciclos.

• Por ser totalmente reversible es el de máximorendimiento entre dos focos dados (11°° CorolarioCorolario)

• Por ser totalmente reversible tiene siempre el mismo rendimiento entre dos focos (independiente del tamaño, tipo de fluido, etc.) (22°° CorolarioCorolario)

A considerar:

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Diferencias conceptuales entre la eficiencia tDiferencias conceptuales entre la eficiencia téérmica yrmica y la eficiencia la eficiencia de la segunda ley de la segunda ley

• Eficiencia de la Primera Ley: (ó eficiencia térmica)NONO hace referencia al mejor rendimiento posible �� no

entrega una visión correcta de eficiencia. (Fracción de calor que se convierte en trabajo)

• Eficiencia de la Segunda Ley: (ó eficacia)

Entrega una medida del desempeño de una máquina térmica, de cuanto se puede aprovechar la energía disponible

== Razón entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica máxima obtenible en las mismas condiciones (eficiencia de Carnot)

Diferencias conceptuales entre la eficiencia tDiferencias conceptuales entre la eficiencia téérmica yrmica y la la eficiencia de la segunda ley eficiencia de la segunda ley

AA BB

600K

300K

1000K

300K

WW WW

ηt,A= 30% ηt,B= 30%

Qué máquina tiene mayor potencial de trabajo?

Cual tiene un mejor desempeño?

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QuQuéé es la entropes la entropíía? a?

Del Primer Principio de la Termodinámica , 1°PT� EnergEnergííaa

Del Segundo Principio de la Termodinámica , 2°PT � EntropEntropííaa

ENTROPENTROPÍÍAA ::

Propiedad Termodinámica que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la medida del desorden de un sistema

La La CANTIDADCANTIDAD de energde energíía siempre se preserva durante un proceso real (1a siempre se preserva durante un proceso real (1°°LTLT) ) pero la pero la CALIDADCALIDAD estestáá condenada a disminuir (2condenada a disminuir (2°°LTLT). ).

La reducciLa reduccióón de la n de la CALIDADCALIDAD estestáá acompaacompaññada de un aumento de ada de un aumento de ENTROPENTROPÍÍAA

QuQuéé es la entropes la entropíía? a?

1)1) La entropLa entropíía puede ser vista como una medida del desorden molecular a puede ser vista como una medida del desorden molecular o aleatoriedad molecular. o aleatoriedad molecular.

Conforme un sistema se vuelve Conforme un sistema se vuelve mmáás desordenados desordenado, las posiciones de las , las posiciones de las molmolééculas son culas son menos predeciblesmenos predecibles �� AUMENTA LA ENTROPÍA

EntropEntropíía fase sa fase sóólida < entroplida < entropíía fase gaseosaa fase gaseosa

2)2) La entropLa entropíía puede ser vista como una medida de las Irreversibilidadesa puede ser vista como una medida de las Irreversibilidades

RELACIÓN ENTRE AUMENTO DE ENTROPÍA Y PROCESOS IRREVERSIBLES NO ES

CASUAL,

SINO QUE SURGE DE UN TEOREMA GENERAL QUE ESTABLECE QUE

LA VARIACILA VARIACIÓÓN TOTAL DE ENTROPN TOTAL DE ENTROPÍÍA (incluye sistema y entorno) ESA (incluye sistema y entorno) ESPOSITIVA EN TODOS LOS PROCESOS IRREVERSIBLESPOSITIVA EN TODOS LOS PROCESOS IRREVERSIBLES

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DDiagramasiagramas de propiedades que incluyen a la entropde propiedades que incluyen a la entropííaa

DDiagramasiagramas de propiedades que incluyen a la entropde propiedades que incluyen a la entropííaa

El diagrama de MollierMollieres una representación de las propiedades del agua y vapor de agua. Se usa un sistema principal de coordenadas H-S (Entalpía-Entropía).

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Calor en procesos internamente reversibles:

Por definición la entropía se transfiere solo con procesos de transferencia de calor

Las relaciones Las relaciones TdsTds

Definición de Segunda Ley

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Las relaciones Las relaciones TdsTds

El cambio de entropEl cambio de entropíía de gases idealesa de gases ideales

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El cambio de entropEl cambio de entropíía a en sustancias incompresiblesen sustancias incompresibles

Procesos isentrProcesos isentróópicospicos de gases idealesde gases ideales

1.- Suponiendo GI, Cp y Cv promedio:

UN PROCESO ES ISENTRÓPICO (S2=S1) SI Y SÓLO SI

ES ADIABÁTICO E IRREVERSIBLE

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Eficiencias isentrEficiencias isentróópicas de algunos dispositivos de flujo permanentepicas de algunos dispositivos de flujo permanente

Turbinas – Compresores – Toberas - Difusores


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21

Trabajo de flujo permanente reversibleTrabajo de flujo permanente reversible

MinimizaciMinimizacióón del trabajo del compresorn del trabajo del compresor

w = q + (h1-h2) + (v1^2-v2^2)/2 + g(Z1-Z2) [kJ/kg]

∫ ∫

∫

−−=

−=

−+−

+−+=

vdPhhTds

vdPdhTds

ZZgvv

hhTdsw

21

)(2

)()( 21

2

2

2

121

,de las relaciones Tds de Gibbs

,integrando

,aplicando segunda ley

Trabajo de flujo permanente reversibleTrabajo de flujo permanente reversible

MinimizaciMinimizacióón del trabajo del compresorn del trabajo del compresor

A mayor volumen específico (v (m3/kg) )

mayor Trabajo Reversible (Wrev producido o consumido)

∆ec ~ ∆ep ~ 0

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Por tanto se busca:

Entrada de W (compresión) �� v lo más pequeño posible

Salida de W (expansión) �� v lo más grande posible

El W de entrada de un compresor se minimiza cuando el proceso se realiza

reversiblemente

Posibilidades:

1) Aprox a proceso rev �� minimizar I, cuasiestático, etc.

2) Forma más práctica �� mantener v al mínimo posible durante compresión => disminuir T° (vgas α v(T))

Procesos Procesos PolitrPolitróópicospicos de Compreside Compresióón :n :

Pvn = Cte (2)(2)

Reemplazando (2) en (1) se tiene

expresión (a)

(1)(1)

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T

T

:opolitrópic procesoun para que doConsideran

)____(1____________)(1

:RTPv tiene,se GI, ahora osconsideram Si

)____(1____________)(1

:gascualquier Para

1

1

21

1

1

2

1

2

12

1122

P

P

n

nRTw

P

P

bnTTn

nRw

anvPvPn

nw

n

n

n

n

−

−

−=

=

≠∀−+

−=

=

≠∀−+

−=

−

−

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Procesos isotProcesos isotéérmico de Compresirmico de Compresióón :n :

Pvn = Cte (2)(2)

(1)(1)

)____(1n para_________)/ln(

:RTPv tiene,se GI, ahora osconsideram Si

)____(1n para_________)/ln(

:gascualquier para ctepv donde 1n doconsideran Ahora

121

1211

1

dPPRTw

cPPvPw

=−=

=

=−=

==

-

24

El trabajo es el área limitada entre el eje P y la curva respectiva.

El área más pequeña en el diagrama P-v, corresponde al consumo

mínimo de trabajo, es el proceso de compresión isoterma (1–2b),mientras que la compresión

adiabática (1–2a) es la que consume más trabajo.

Por tanto, es deseable refrigerar el gas durante la compresión, de modoque su temperatura de salida sea lo más baja posible, para reducir el

consumo de trabajo.

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Compresión en etapas:

•En teoría el enfriamiento sucede a P=cte y el gas se enfría hasta la temperatura inicial T1 en cada enfriador.

•Este método es muy conveniente cuando el gas se comprime a altas P

•W ahorrado depende de Pi (presiones intermedias) .

Es habitual dividir la compresión en varias etapas; cuanto mayor es la relación de presiones, son necesarias más etapas.

Entre etapa y etapa, el gas se somete a un enfriamiento conun fluido refrigerante, normalmente agua o aire, hasta que recupera la

temperatura ambiente.

Ciclos de Potencia de Vapor

Centrales termoeléctricas clásicas :Se denominan centrales clásicas a aquellas centrales térmicas que emplean la

combustión del carbón, petróleo (fuel oil) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas, las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que actualmente estén siendo criticadas debido a su elevado

impacto medioambiental.

Componentes principales •Caldera de combustión •Turbina (vapor o gas)

•Generador•Sistema de refrigeración (puede ser de caudal abierto o

mediante torres de refrigeración) •Instalaciones de control

Que ventajas y desventajas tiene usar vapor en los

ciclos?

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Teoría de combustión

P1 y P2

Procesos de Psicrometría

27

4

1

2

3

28

Rendimientos isentrópicos en turbina y bomba:

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Tarea: Tarea:

1.1. Objetivo siempre es mejorar el rendimiento, porque?Objetivo siempre es mejorar el rendimiento, porque?

2.2.RendimientoRendimiento de Centrales Tde Centrales Téérmicas Vapor, Gas y rmicas Vapor, Gas y GasGas--Vapor?Vapor?

3.3. Investigar diferencias y/o ventajas comparativas Investigar diferencias y/o ventajas comparativas entre Ciclos Turbina de Vapor y de Gas. entre Ciclos Turbina de Vapor y de Gas.

(Temperatura de entrada de fluido, presiones de (Temperatura de entrada de fluido, presiones de trabajo, temperatura de salida de fluido, potencias, trabajo, temperatura de salida de fluido, potencias,

costos de instalacicostos de instalacióón, rendimientos, n, rendimientos, etcetc))

4.4. Tipo, ubicaciTipo, ubicacióón y potencia de centrales tn y potencia de centrales téérmicas en rmicas en Chile.Chile.

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