TERMODINMICACiencia de la energa que estudia los procesos que conviertenCALOR en POTENCIATHERMOS : CALORDYNAMICS: POTENCIAMotores deautos y avionesCentralesTrmicasCuerpoHumanoMquinas Trmicas:

Energa TrmicaLa energa trmica es la parte de la energa interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. El trmino calor est relacionado con la transmisin de la energa trmica, la cual ocurre desde el punto de mayor temperatura al de menor temperatura. UNIDAD DE CALOR = JULIO en el SICalor

Temperatura (vs) Energa Trmica Adicionada( Para 1 gramo de agua)Energa

Absorbe energa trmica Qc de un depsito caliente, libera la energa trmica Qf al depsito fro y efecta un trabajo W. Una mquina trmica lleva a cierta sustancia de trabajo a travs de un proceso de un ciclo durante el cual: La energa trmica se absorbe de una fuente a alta temperatura. La mquina realiza trabajo. La mquina expulsa energa trmica de desecho a una fuente de menor temperatura. MAQUINA TERMICA

Q entradaT1 altaT2 bajaQ salidaWMAQUINA TERMICAConvierte CALOR en TRABAJOMotor deStirling

LEY DEL GAS IDEALPoP1ToT1VoV1VoPoT1 = V1P1ToANTESDESPUESPara una cantidadConstante de GAS:(presin)(temperatura)(volumen)OVP/T = cte

LEY DE BOYLE (Proceso Isotrmico) V 1 / PPara Temperatura Constante

LEY DE CHARLES (Proceso Isobrico)Para Presin Constante: V TVT

LEY DE GAY LUSSAC (isomtrico)PoToP1T1ANTESDESPUESPara Volumen Constante:

Si la Temperatura Aumenta, laPresin aumenta en forma proporcionalPTP T

TURBINA DE VAPORVolumen de ControlVapor de EntradaVapor de SalidaToT1PoP1 Si T1 > Vo P1

DIAGRAMAP - VPCurvas a Temperatura ConstanteVapor Saturado

ciclos de vapor

Ciclo abierto: el tpico ciclo sin condensacin, propio de la mquina de vapor.

Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye sobrecalentamiento de vapor.

Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce el sobrecalentamiento de vapor.

El Vapor como Fluido Termodinmico:

El uso de vapor se justifica porque:

Es abundante y barato de producir.

Transporta gran cantidad de energa por unidad de masa.

1. CICLO DE VAPOR ABIERTOEjemplo: Locomotora

Un depsito contiene agua para la caldera (1). La bomba toma el agua del depsito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presin). En la caldera el agua ebulle, formando vapor. De la caldera sale vapor saturado (3). El vapor, a presin es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W y es expulsado a la atmsfera.

Q

Entra agualquidaSale VaporCICLO DE VAPOR ABIERTODiagrama P-V para m :QCompresin(Bomba)Calentamiento (Caldera)Expansin +Trabajo(Turbina o Pistn)Fuente FRIA:Temperaturaambientemm

2. CICLO de RANKINE (CICLO CERRADO)

El ciclo de Rankine introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fra y mejorar la eficiencia del ciclo.

El efecto es doble:

Desde el punto de vista termodinmico, al bajar la temperatura de la fuente fra, se mejora la eficiencia del ciclo. Desde el punto de vista mecnico, la presin en el condensador es muy inferior a la atmosfrica, lo que hace que la mquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

CONDENSADORCondensador de tubos y Carcaza La carcaza es el cilindro exterior. El agua de refrigeracin entra por la derecha, se reparte por el haz de tubos al interior y sale por la izquierda. El vapor condensa al exterior de los tubos y gotea al fondo de la carcaza, donde es recolectado.

CICLO DE RANKINELa bomba recolecta condensado a baja presin y temperatura, estado (3) y comprime el agua inyectando este condensado a la caldera (4). En la caldera se calienta alcanzando la ebullicin del lquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce a la turbina. All se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presin asociada a la temperatura de condensacin (2). El vapor que descarga la mquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que estn refrigerados en su interior (tpicamente por agua). El condensado se recolecta y se extrae (3) prcticamente como lquido.

Compresin(Bomba)Calentamiento (Caldera)Expansin +Trabajo(Turbina)Condensacin (Condensador)CICLO DE RANKINEm

Inconveniente: Si se aumenta la temperatura de la Caldera(aumenta la Presin), la descarga de la mquina se corre haciaLa izquierda y sale ms vapor con agua lquida.P caldera mayor = mayor temperatura

3. CICLO de HIRN (CICLO CERRADO)

Es similar al Rankine. introduce el sobrecalentador para aumentar la temperatura del vapor para evitar que en la turbina haya vapor mas liquido lo que produce cavitacin y desgaste.

El efecto es doble:

Desde el punto de vista termodinmico, al aumentar la temperatura de la fuente caliente, se mejora la eficiencia del ciclo, sin riesgo de tener ms lquido en la turbina. Desde el punto de vista mecnico, la presin en el sobrecalentador es superior a la de la caldera, lo que hace que la mquina opere con un salto de presiones mayor, aumentando el trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

La bomba comprime el agua hasta la presin de la caldera (5). En la caldera primero se calienta, alcanzando la ebullicin del lquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentn) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor aumenta su temperatura hasta salir como vapor sobrecalentado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva a la turbina. All realiza trabajo (W). El vapor que descarga la mquina (3) entra al condensador donde se convierte en agua. El condensado se recolecta en (4) en forma de lquido. CICLO DE HIRN

Compresin(Bomba)Calentamiento (Caldera)Expansin +Trabajo(Turbina)Condensacin (Condensador)SobrecalentamientoCICLO DE HIRN

4. CICLO de HIRN con 2 Sobrecalentamientos

El ciclo de Hirn con 2 sobrecalentadores se utiliza en centrales trmicas de gran potencia.

VaporRODETE DE LA TURBINA DE VAPOR

TURBINA DE VAPOR

ESQUEMA GENERAL DE UNACENTRAL TERMICA