APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

“Año de la Unión Nacional frente a la crisis externa””

FACULTAD de INGENIERIAFACULTAD de INGENIERIA QUIMICAQUIMICA

TEMA

APLICACIÓN DE LAS TERMODINAMICA EL LAS TURBINAS

CURSO : TERMODINAMICA

DOCENTE : ROSALIO CUSI PALOMINO

INTERGRANTES : PEÑA MARTINEZ JOSE LUIS APARICIO CHIPANA CINTHYA

AÑO : 3º

CICLO : VI

TERMODINAMICA 1

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TERMODINAMICA 1

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis queridos maestros por fijarme un porvenir en mi camino Como estudiante, a ellos MIL GRACIAS.

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INTRODUCCION

Desde el punto de vista metodológico el cálculo está organizado

fundamentalmente, para saber el trabajo y el calor realizado en los equipos

como el compresor, La cámara de combustión-gasificado y la turbina de gas

propiamente dicha, sobre los cuales se realizan los cálculos requeridos para

aportar elementos, así como para evaluar el funcionamiento del equipo. El

procedimiento de cálculo desarrollado ha sido empleado en el estudio de las

potencialidades de los equipos, comprobándose así la metodología para

estudios de este tipo.

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OBJETIVOS

Conocer la operación y funcionamiento de una turbina de vapor

empleada en la generación de energía eléctrica, observando las

operaciones de cada uno de los elementos que conforman una central

térmica del tipo de laboratorio. Como objetivos específicos debemos

determinar el rendimiento de una turbina de vapor del tipo de acción así

como el de una unidad turbo generadora y dar una idea general del

funcionamiento de una central térmica de vapor real.

MARCO TEÓRICO

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CONCEPTO La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia

los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un

cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de

energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor

temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo. Al hablar de

termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema

se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar.

El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se

conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En

un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas

abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es

aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus

fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es

imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos

básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo,

es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos

sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en

permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las

moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como

energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de

temperatura.

TIPOS DE TURBINAS:

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Las turbinas, por ser turbo máquinas, pueden clasificarse de acuerdo a los criterios expuestos en aquel artículo. Pero en el lenguaje común de las turbinas suele hablarse de dos subgrupos principales:

Turbinas hidráulicas

Rotor de una turbina Pelton, ésta es una turbina hidráulica de acción de

admisión parcial.

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad

considerable a través de su paso por el rodete o por el estator; éstas son

generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se

pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o

aerogeneradores.

Dentro de este género suele hablarse de:

Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún

cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el

fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión

atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el

rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de

aspiración. La principal turbina de acción es la Pelton, cuyo flujo es

tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de

revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se

denomina inyector.

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TURBINAS TÉRMICAS

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable

a través de su paso por la máquina.

Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus

diferencias fundamentales de diseño:

Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase

durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio,

que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de

agua, que son las más comunes.

Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase

del fluido durante su paso por el rodete.

También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes

subgrupos:

Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo

en el estator, dándose la transferencia de energía sólo por acción del

cambio de velocidad del fluido.

Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como

en el estator, o posiblemente, sólo en rotor.

Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en

relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:

Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las

etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la

turbina.

Turbinas de media presión.

Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son

las más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción

euclidiana de las turbo máquinas.

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APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de

masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía

específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. Al tiempo

que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y

calor.

Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y

baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que

q = h2 - h1 + w

En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas

velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la

transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante

pequeña como para poder despreciarse.

Por consiguiente w = h1 - h2

Expansión isentrópica

La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor

(es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a

la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible

y adiabático es isentrópico (entropía constante).

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Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se

puede determinar la transferencia ideal de trabajo.

 Rendimiento isentrópico

Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de

trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía

específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina

real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía

disponible.

Rendimiento global

Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:

- Fricción del fluido en el estator (toberas).

- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).

- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.

- Fricción entre el rotor y el fluido.

- Pérdidas por ventilación.

- Energía cinética rechazada en el rotor.

Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de

escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la

correspondiente transferencia de calor a la caja.

Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama

de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.

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TERMODINÁMICA CLÁSICA Y TERMODINÁMICA ESTADÍSTICA. Existen dos enfoques para determinar las propiedades de las sustancias

(material o materia) que conforman los sistemas. En uno de estos enfoques se

efectúan mediciones en escala grande, las cuales son por tanto relativas al

comportamiento macroscópico de la sustancia. Esté enfoque supone que él

medió de interés existe como un medio continuo.

El segundo enfoque utiliza implícitamente la observación a nivel macroscópico

para postular el comportamiento a nivel de partícula o microscópico, y luego

usa cálculos matemáticos a escala molecular para determinar las propiedades

a partir del promedio estadístico del comportamiento de partículas individuales.

La termodinámica clásica implica la observación y medición de las propiedades

con base en una escala grande (o macroscópica) mientras que la

termodinámica estadística se centra en la predicción del comportamiento

macroscópico con base en eventos a escala molecular (o microscópica) a

través del uso adecuado de la matemática y la estadística. La termodinámica

se desarrollo inicialmente mediante la observación del comportamiento en

escala grande, macroscópica, de los sistemas.

 ESTRUCTURA DE LA TERMODINÁMICA. La estructura de cualquier disciplina científica incluye conceptos y leyes. L a

única base de la termodinámica son la observación del mundo físico y las

mediciones experimentales relacionadas con esta observación. No existe otra

prueba teórica para la termodinámica. Por tanto si se observara un caso en la

naturaleza que fuera contrario a lo que implica una ley existente de la

termodinámica esa ley se declararía inválida.

 

Las primeras bases que proporcionaron una base para la termodinámica fueron

en general aquellas relacionadas con el estudio y las mediciones de diversos

sistemas térmicos, como las máquinas de vapor y otras máquinas productoras

de trabajo que usaban recursos combustibles de energía. La palabra

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termodinámica proviene de las palabras griegas therme que significa calor y

dynamis que significa potencia.

En efecto la termodinámica se concibió como un estudió de los sistemas

productores de potencia, llamados máquinas de calor los cuales usaban

fuentes que producían transferencia de calor a las máquinas. Estas

aplicaciones se estudiaron profundamente desde principios del siglo XVIII hasta

bien entrando el siglo XIX. Sin embargo hoy la termodinámica es una ciencia

mucho mas amplia que resulta importante en relación con diversos fenómenos

que se encuentran en la ingeniería.

APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY

SISTEMAS CERRADOS:

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del

universo termodinámico. También es conocido como masa de control.

El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus

alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera.

La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y

potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el

sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera;

y U es la energía interna del sistema.

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Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como

interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar

trabajo de frontera.

La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

O igualmente:

Q + W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔUsistema

in out

Donde:

in representa todas las entradas de masa al sistema.

out representa todas las salidas de masa desde el sistema.

θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía

potencial y energía cinética:

La energía del sistema es:

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La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo

considerado (entre t0 y t) es:

Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en

estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado

estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:

Sistema Aislado

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

con el exterior.

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ºº

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TOBERAS

I. OBJETIVO:

PARTES DE UNA TOBERA:La tobera está formada por un cuerpo y una aguja. Un resorte de presión y un eje mantienen sujeta la aguja en el cuerpo de la tobera.Una portatobera, a veces denominado cuerpo del inyector, puede permitir montar el inyector en el motor, y algún método de ajuste de la fuerza del resorte sobre la válvula de aguja. Una tapa lo protege de la suciedad y el agua.La bomba de inyección o tobera distribuye el combustible en el inyector. El combustible pasa a través de un conducto perforado en el cuerpo de la tobera a una cámara sobre la que se encuentra la válvula de la aguja de la tobera. Cuando la presión del combustible en la galería del inyector aumenta, actúa en el estrechamiento de la válvula de aguja, aumentando la presión hasta que vence la fuerza ejercida por el resorte levanta la válvula de aguja. El combustible altamente presurizado entra en el motor a una gran velocidad, en forma de pulverización atomizada.Tan pronto como se detiene el distribución de la bomba, la presión bajo el estrechamiento de la aguja hacia abajo, cortando el suministro de combustible al motor.

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TIPOS DE TOBERAS:

Hay 2 tipos principales de toberas:

Tobera de orificios:

Las toberas de orificios se utilizan generalmente en los motores de

inyección directa. Pueden ser un solo orificio o ser orificios múltiples, y

funcionan a presiones muy altas, de hasta 200 bares. Proporcionan una

pulverización aerosol fuerte, necesario para penetrar en el aire

altamente comprimido. El combustible tiene una velocidad alta y una

buena pulverización deseable en los motores con cámaras de

combustión abiertas.

Tobera de protuberancia (tetón):En las toberas de protuberancia existen una protuberancia o aguja que

sobresale del orificio de pulverización. La forma del tetón determina la

forma de pulverización y atomización de la parte pulverizada.

Las toberas de tetón se abren a menor presión que las toberas de

orificios.

Se utilizan en motores de inyección indirecta, donde el combustible debe

recorrer una distancia comparativa corta y el aire no está tan comprimido

en la cámara principal.

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Una tobera de rociada o

boquilla pulverizadora

es un dispositivo

empleado para dividir un liquido en gotitas. Las aplicaciones de estas toberas

son numerosas y variadas, y en consecuencia, se emplea un gran número de

modelos.

Todas las toberas de rociada pueden clasificarse en alguno de los tipos

siguientes:

Toberas de presión

Toberas giratorias o rotativas

Toberas atomizadoras por gas

Toberas de Presión:

En las que el liquido esta a presión y se divide por su inherente estabilidad y su

choque con la atmósfera, o bien por su choque con otro chorro o con una placa

fija.

Las toberas de presión son e general relativamente sencillas, pequeñas y poco

costosas y consumen por lo general menos potencia que otros tipos. Pueden

emplearse con todos los líquidos que contengan una viscosidad menor que

unos 300 a 500 seg. Saybolt y que no contengan partículas sólidas mayores

que los pasajes de la tobera.

Toberas de cono hueco

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Las toberas de presión tienen un campo de aplicación muy vasto y se

encuentran en el comercio en una gran variedad de modelos y tamaños. La

mas común es la llamada de cono hueco y en ella se alimenta el liquido a una

cámara por pasajes tangenciales o por una espiral fija, de modo que adquieran

rápido movimiento de rotación. El orificio esta colocado en el eje de la cámara

de remolinos y el líquido sale en una lámina con forma de cono hueco que

luego se divide en gotas. Tres modelos de estas toberas. se construyen con

orificios de 0.5 mm (0.02'') a 51 mm (2'') de diámetro, con gastos de derrame

correspondientes de 0.038 a mas de 760 l/min. Los tamaños mayores se

emplean para los estanques de enfriamiento, para lavar grava y arena, airear

agua, etc., y suelen trabajar a presiones relativamente bajas. Las toberas mas

pequeñas se emplean para el secado por pulverización, los lavadores y los

humidificadores de aire, los quemadores de petróleo, la absorción de gases,

etc., y suelen funcionar con presiones algo mas altas.

Toberas de cono macizo

Esta tobera es una modificación de la de cono hueco y se emplea cuando se

desea abarcar por completo una superficie fija. Se emplea en ciertas

aplicaciones de lavado, para enfriar y airear agua, y para otros fines en que

resulte ventajosa la distribución especial más que uniforme. La tobera es en

esencia una de cono hueco a la que se le ha añadido un chorro axial que choca

contra el liquido en rotación justamente en el orificio. La división del líquido se

debe en gran parte a este choque y a la turbulencia resultante. El fluido parece

salir del orificio en forma de gotas mientras que en la de cono hueco suele

observarse por lo general una lámina cónica corta que luego se rompe en

gotitas fuera del orificio. Para obtener una distribución espacial uniforme es

necesario diseñar la tobera de modo que exista una proporción adecuada entre

la cantidad de líquido alimentado al chorro central, la cantidad del que se hace

girar y el tamaño del orificio. Normalmente, es mayor la cantidad de liquido que

se puede hacer girar que la del chorro axial. Puede conectarse una tubería

independiente de alimentación para el chorro central, de modo que puedan

mezclarse íntimamente dos líquidos o un líquido y un gas. Esto frecuentemente

resulta útil en ciertas aplicaciones químicas.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

El ángulo comprendido en el cono macizo es función del diseño de la boquilla y

es casi independiente de la presión. Varias toberas comerciales de cono

macizo producen conos con ángulos comprendidos que van de 30 a 100

grados. Con un diseño especial puede conseguirse una rociada de cono

macizo sin chorro central con ángulo comprendido tan grande como 100

grados.

Las toberas de cono macizo no suelen encontrarse en el comercio en tamaños

tan pequeños como las del cono hueco, pero los tamaños corrientes tienen

gastos de derrame que van desde menos de 3.8 l/min. Hasta varios centenares

de litros por minuto.

Toberas de abanico

Un tercer modelo de tobera de presión es la llamada de abanico. Por medio de

cortes fresados o canales en la cara posterior de la placa del orificio, y a veces

de un orificio alargado, o por medio de dos chorros inclinados, se hace que el

fluido salga en lámina de forma de abanico que luego se rompe en gotitas.

Debido a la tensión superficial, los bordes de la lámina están por lo general

limitados por corrientes macizas o cuernos, en particular en los tamaños más

pequeños, que pueden comprender entre una cuarta parte y la mitad de la

cantidad total de líquido pulverizado. Esas corrientes se rompen en corrientes

más gruesas que la lamina central. Los cuernos no suelen ser tan acusados en

los tamaños mayores, ni para ángulos comprendidos por la rociada inferior a

unos 50 grados. Las toberas de abanico son útiles cuando se desea distribuir el

líquido siguiendo una línea determinada, como sucede cuando se lava, se

limpia, se recubre o se enfría un material en un proceso continuo. El ángulo del

abanico es de 10 a 130 grados en las toberas normalizadas y sus capacidades

oscilan entre 0.38 y 76 l/min.

Toberas de choque

Otro tipo de tobera utilizada para ciertos fines especiales es el de choque. Se

hace chocar a una corriente maciza de líquido a presión contra una superficie

fija o contra otra corriente análoga. Mediante una orientación y una forma

adecuada de la placa o variando el tamaño y la dirección de las dos corrientes

de fluidos es posible obtener un cono hueco o una lamina en forma de abanico

o de disco. Con toberas de choque es posible producir gotas de tamaños mas

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uniformes que con otros tipos de toberas de presión, si se mantiene la corriente

laminar. En estos últimos tipos es extremadamente difícil conseguir la corriente

laminar debido a sus piezas esenciales interiores. Por el contrario, los orificios

de las toberas de choque pueden proyectarse para que produzcan flujo laminar

(°Re<2 000) si se toman las precauciones apropiadas y se aplican a

operaciones continuas como el lavado de gases y a reacciones químicas entre

un liquido y un gas en las que los tamaños mas uniformes de las gotas

conducen en total a una economía a pesar del mayor costo de las toberas. Las

pequeñas toberas de choque suelen usarse en el humidificador de aire.

Toberas de “niebla” para extinguir incendios

Hay en el mercado varias toberas especiales de rociada para extinguir

incendios, especialmente los producidos en petróleos y sus aceites.

Corrientemente son de presión diseñados para producir una densa capa o

“niebla” de gotas de agua relativamente pequeñas. Su efecto extintor se debe

primordialmente al enfriamiento de los gases quemados por su contacto con las

gotas de agua y principalmente por la evaporación de dichas gotas. Se

consume una cantidad de agua relativamente pequeña, en comparación con la

gastada por las mangueras ordinarias. Por lo que reducen la inundación y el

esparcimiento consiguiente de los líquidos en llamas. Comúnmente se emplea

un cabezal o distribuidor múltiple de rociadas que comprende varias toberas de

alguno de los tipos corrientes. Sirve ello para producir pequeñas gotas y formar

además una manta de rociado de un volumen relativamente grande. Estas

toberas trabajan a presiones de 3.5 a 14 kg./cm², y descargan hasta 760 l/min.

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Estudio matemático de la tobera ideal

Idealmente las transformaciones del fluido en una tobera cumplirían las

siguientes condiciones:

Son adiabáticas (no hay una transmisión de calor del fluido a la tobera o

al exterior).

Son isentrópicas (se trataría de un proceso reversible, sin pérdidas).

Se producirían en régimen permamente (con lo cual, el caudal de fluido

que se desplaza a lo largo de la tobera permanecería constante todo a lo

largo de la misma).

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Por tanto se deben cumplir en cualquier punto de la tobera las siguientes dos

condiciones:

(1)

Donde h es la entalpía y c la velocidad del fluido.

(2)

Donde Q es el caudal en cualquier punto (constante); ρ, la densidad del fluido

en ese punto; y A, la sección de paso en ese mismo punto.

De las anteriores ecuaciones se deduce que:

(3)

Donde a es la velocidad del sonido:

(4)

Donde Cp y Cv son las capacidades caloríficas del fluido a presión y volumen

contantes, respectivamente; p es la presión del fluido en ese punto.

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La ecuación (3) nos puede dar una indicación del perfil que debe tener la

tobera. Si se desea que la velocidad del fluido aumente a lo largo de ella, se

debe cumplir que dc>0. Entonces:

Si c<a (lo que ha de ocurrir al principio, en que el fluido empieza

teniendo poca velocidad), entonces dA<0, es decir: mientras la

velocidad sea menor que la del sonido, para que el fluido siga

acelerándose, la sección ha de ir disminuyendo. Es lo que se denomina

la parte convergente de la tobera.

Si c>a (esto ocurrirá si el fluido se acelera lo suficiente como para

superar la velocidad del sonido), entonces dA>0. Es decir, si el fluido

supera la velocidad del sonido, para que siga acelerándose, la sección

de la tobera ha de ser creciente. Es lo que se denomina la parte

divergente de la tobera.

Entre la parte convergente y divergente de una tobera, existe un punto

en que se cumple que dA=0 (la sección permanecería constante) y en

ese punto, denominado garganta de la tobera, la velocidad del fluido es

la del sonido c=a (se entiende que para ese fluido en esas condiciones).

Las conclusiones son que para empezar la aceleración de un fluido, la tobera

necesariamente ha de ser convergente en su primera sección, pero si se quiere

que la velocidad del fluido supere la del sonido, debe tener una segunda

sección divergente. En el punto entre ambas secciones, llamado garganta de la

tobera, la velocidad del fluido es la del sonido.

Suponiendo que el fluido cumple la Ley de los gases ideales

( ) Podríamos obtener la velocidad en cada punto de la

tobera en función de la presión, según la ecuación:

(5)

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A partir de la ecuación anterior, podríamos hallar cuál debe ser la presión en la

garganta de la tobera:

(6)

Donde p0 es la presión inicial del fluido a la entrada de la tobera y γ es

característica del fluido en cuestión. De este modo se puede determinar el valor

de la presión en la garganta para cualquier fluido. Por ejemplo:

Para el aire:

Para el vapor de agua seco:

IMAGEN DE UN TOBERA

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COMPRESORES O BOMBAS

Un compresor o bomba es una máquina térmica de fluido que está

construida para aumentar la presión de una sustancia y desplazar cierto tipo de

fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Ésta

energía es adquirida por el fluido en forma de energía cinética y presión

(energía de flujo). 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 sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando

su presión y energía cinética impulsándola a fluir. Su fluido de trabajo es

compresible, por ello sufren un cambio apreciable de densidad y,

generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su

presión, densidad o temperatura de manera considerable.

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.

Se utiliza principalmente en aires acondicionados.

El compresor esta compuesto por: bielas (barras), pistones, embobinado,

bomba de lubricación, anillos de lubricación, anillos de presión, aceite, sedoso

o plato, cigüeñal, Carter, bobinas, terminales que son siempre en conexiones

de tipo estrella o estrella delta.

Se suelen clasificar según varios principios. Las 2 clasificaciones presentadas a

continuación son complementarias de modo que, por ejemplo: un motor de

explosión es un motor térmico -alternativo (de desplazamiento positivo).

Clasificación de los Compresores según su principio de funcionamiento:

Compresores de Desplazamiento Positivo:

Los Compresores de Desplazamiento Positivo son capaces de altas razones de

compresión por etapa, pero como operan discontinuamente no pueden trabajar

con caudales elevados.

Ejm: En los compresores de gas donde el incremento de presión se logra

introduciendo un volumen de gas en espacio determinado, que posteriormente

es reducido por medios mecánicos.

Entre los que se incluyen: compresores de pistón, de diafragma y de

engranajes.

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Los compresores de desplazamiento positivo se dividen a la

vez en dos grupos, los reciprocantés y los rotativos.

Compresores rotatorios / rotativos:

Hay varios tipos de compresores rotatorios pero todos tienen el mismo tipo de

curva de rendimiento que el compresor reciprocantés: es decir, son de

capacidad fija con contrapresión variable. Los compresores rotatorios se

prestan más para las unidades motrices de velocidad variable, como las

turbinas de vapor, que los compresores reciprocantés.

Por lo general, estos compresores tienen una capacidad máxima de unos

25.000 ft3/min.

Los tipos más comunes de compresores rotatorios son los de espiral y de

lóbulos rotatorios, que ofrecen la ventaja de que el aire no contiene aceite,

porque no hay contacto con ninguna parte en la zona de compresión. Su

diseño rotatorio les da una capacidad mucho mayor que la del compresor

reciprocantés y sin problemas de pulsaciones.

Compresores reciprocantés:

Funcionan con el principio adiabático mediante el cual se introduce el gas en el

cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime en el cilindro y sale

por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga.

En estos equipos el elemento principal de compresión es un pistón que se

mueve alternativamente dentro de un cilindro, lográndose así la reducción del

volumen del gas a comprimir.

Estos compresores rara vez se emplean como unidades individuales, salvo que

el proceso requiera funcionamiento intermitente. Por ejemplo, si hay que

regenerar un catalizador cada dos o tres meses o se tiene un suministro de

reserva en otra fuente, esto daría tiempo para reparar o reemplazar las válvulas

o anillos de los pistones, si es necesario.

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Los compresores reciprocantés tienen piezas en contacto como los anillos de

los pistones con las paredes del cilindro, resortes y placas o discos de válvulas

que se acoplan con sus asientos y entre la empaquetadura y la biela. Todas

estas partes están sujetas a desgaste por fricción.

Los compresores de pistón pueden ser se simple o doble efecto, según si una o

ambas caras del pistón realicen compresión sobre el fluido.

Los de simple efecto comprimen el aire en la parte superior del cilindro y

normalmente son del tipo entroncado.

Los de doble efecto requieren una acople mediante crucetas, para procurar que

el movimiento de vástago sea lineal, con lo cual puede lograrse una reducción

en el largo del pistón, creándose dos cámaras de compresión: una por arriba y

otra por abajo del mismo.

Los compresores reciprocantés pueden ser además lubricados o no

lubricados; estos últimos tienen anillos de poli tetrafluoretileno (PTFE) auto-

lubricados. Los compresores no lubricados del tipo entroncado tienen carcasa

seca, con rodamientos de engrase permanente, mientras que los de cruceta

tienen la biela más larga de forma que su parte lubricada no entre en la cámara

de compresión.

Los compresores reciprocantés normalmente tienen válvula auto-accionadas

las cuales abren y cierran según la diferencia de presión que exista a través de

ellas.

Los compresores alternativos son los equipos de compresión más usados;

poseen un alto rango de tamaños y tipos diferentes, su potencia varía desde

fracciones de hp hasta unidades de más de 12.000 hp, con rangos de presión

desde menos de uno hasta más de 4000 bar.

Otra ventaja de estos equipos, es que son más eficientes para la mayoría para

la mayoría de las aplicaciones, pudiendo ser instalados con equipos de control

de capacidad para mantener se eficiencia a cargas parciales.

Debido al movimiento reciprocantés de los pistones y a otras partes rodantes

des balanceadas, las fuerzas de inercia tienden a des balancear la unidad; por

ello es necesario emplear alguna base o función que establece la instalación.

La aplicación de este requerimiento depende del tipo y tamaño del compresor.

TERMODINAMICA 1

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Dadas las características de funcionamiento de este tipo de compresores, el

flujo del aire que ellos entregan no es continuo sino pulsante, lo que representa

una desventaja.

Sin embargo, ello puede minimizarse utilizando un amortiguador de

pulsaciones.

A continuación daremos un trato especial a algunos compresores reciprocantés

debido a sus características muy particulares.

Compresores de pistón libre:

Se trata de un arreglo especial, en donde el compresor se encuentra integrado

a un motor diesel de manera tal que no existe conexión mecánica alguna. En

principio, se trata de un diseño sencillo, pero en la práctica, el diseño es

sumamente complicado debido a la necesidad de sincronismo de los pistones,

y de un sistema de arranque.

El principio de operación de estos equipos es el siguiente:

Haciendo uso del aire comprimido se logra el movimiento hacia adentro de los

dos pistones, comprimiéndose el aire contenido en la cámara de combustión.

Cuando los pistones se encuentran cerca del punto muerto inferior, se inyecta

el combustible, produciéndose la combustión por efecto de la temperatura.

Al incrementarse bruscamente la presión en la cámara de combustión, los

pistones son forzados hacia fuera, obteniéndose la compresión del aire en las

cámaras de compresión.

Compresor tipo laberinto:

Este es un tipo especial de compresor de desplazamiento positivo que trabaja

sin anillos en el pistón y suministra aire exento de aceite.

El sello entre el pistón y el cilindro se logra con una serie de laberintos. Los

pistones en su superficie llevan mecanizada una rosca cuyas crestas crean

remolinos de aires que bloquean las fugas,

Estas fugas internas son mucho mayores y las R.P.M. menores que en los

compresores que emplean anillos en el pistón, por lo que solo se recomienda

este tipo de unidad debido a su capacidad de ofrecer aire absolutamente libre

de aceite.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Compresores Centrífugos:

Los compresores centrífugos, no son capaces de producir altas razones de

compresión por etapa, pero pueden trabajar con grandes volúmenes de flujo,

debido a que operan continuamente. La mayoría de las bombas y compresores

usados en operaciones normales de procesos son del tipo centrífugo (lo que

está de acuerdo con nuestra observación previa de que la mayoría de los

procesos tienden a ser de tipo continuo).

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

¿Qué son las bombas centrífugas?

Las bombas centrífugas son las más usadas en las industrias. Se utilizan para

desplazar líquidos a través de un sistema de tuberías accionadas

principalmente por motores eléctricos y de combustión interna.

Estas bombas crean un flujo utilizando la energía cinética de un rodete giratorio

para generar el movimiento del fluido. La eficacia de una bomba centrífuga

depende del rendimiento de este rodete.

Clasificación de las bombas centrífugas:

Debido a la gran variedad de las bombas centrífugas, estas pueden clasificarse

como:

Bomba centrífuga voluta: El impulsor descarga en una caja espiral

que se expande progresivamente, proporcionada en tal forma que

la velocidad del líquido se reduce en forma gradual. Por este

medio, parte de la energía de velocidad del líquido se convierte en

presión estática.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Bomba centrífuga difusor: Los álabes (rueda perfilada)

direccionales estacionarios rodean al rotor o impulsor en una

bomba del tipo de difusor. Estos pasajes con expansión gradual

cambian la dirección del flujo del líquido y convierten la energía de

velocidad a columna de presión.

Bomba centrífuga turbina: En este tipo de bomba se producen

remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy

altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor.

Las bombas centrífugas horizontales:

Las bombas centrífugas con el eje de giro horizontal tienen el motor a la misma

altura. Éste tipo de bombas se utiliza para el funcionamiento en seco. El líquido

llega siempre a la bomba por medio de una tubería de aspiración.

Las bombas centrífugas verticales:

Las bombas centrífugas con el eje de giro en posición vertical tienen el motor a

nivel superior al de la bomba y trabajan siempre rodeadas por el líquido a

bombear.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Existen otras clasificaciones de las bombas centrífugas, según el tipo de flujo:

- Bomba centrífuga de flujo radial: En el caso de flujos bajos y

altas presiones, la acción del rotor de la bomba centrífuga es en

gran medida radial.

- Bomba centrífuga de flujo axial: Las bombas de flujo axial

desarrollan su columna por la acción de su impulso o elevación

de las paletas sobre el líquido.

- Bomba centrífuga de flujo mixto: Las bombas de flujo mixto

desarrollan su columna parcialmente por fuerza centrífuga y

parcialmente por el impulsor de los álabes sobre el líquido. El

diámetro de descarga de los impulsores es mayor que el de

entrada

EXPANSORES

Los expansores operan de manera inversa a la de los compresores;

disminuye la presión del fluido mientras efectúan trabajo. Teóricamente, todos

los compresores pueden funcionar al revés para operar como expansores. Sin

embargo, en la práctica, sólo se usa maquinaria de operación continua como

expansores en la producción de trabajo.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Los expansores de turbina constituyen el tipo de máquinas de expansión más

comúnmente usado.

A continuación se presenta Expansores de tubos:

Expansores para tubos, se utilizan para muchas aplicaciones incluyendo

condensadores, equipos de refrigeración, intercambiadores de calor, calderas

acuotubulares, piro tubulares, y tachos de ingenios azucareros.

Los expansores de tubos junto con los motores orladores son la combinación

perfecta para su trabajo en el rolado de tubos.

II. EVALUACIÓN MATEMÁTICA:

Primera Ley de la Termodinámica:

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

“Todo sistema abierto trabaja en: Régimen permanente”

Las propiedades termodinámicas (físicas y químicas) no sufren variación con el

tiempo, propiedad constante con el tiempo.

En la mayoría de los compresores y expansores se verifican que los términos

siguientes son usualmente pequeños en comparación con el término

Por consiguiente se supone a menudo que estos términos pueden ser

despreciados. Con estas suposiciones la ecuación de la energía en estado

estacionario se reduce a:

...(EC. 1)

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

La Ec 1 puede ser considerada como análoga en el sistema abierto a la

ecuación del sistema cerrado.

Si el compresor es operado adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor

o ambiente, se tiene Q = 0, y la Ec 1 se reduce a:

TURBINA.

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APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Se realiza el análisis termodinámico de la turbina a partir de los balances

térmicos de la unidad a fin de determinar los valores de la temperatura y los

coeficientes de transferencia de calor por convección en las diferentes etapas

del rotor.

Estos valores constituyen las condiciones de frontera del problema de

transferencia de calor en el rotor, los cuales cambian durante los arranques,

paros y cambios de carga debido a las variaciones de temperatura y el flujo de

vapor. Una vez calculados los coeficientes conectivos se analiza el

comportamiento de la transferencia de calor en el rotor para obtener las líneas

isotermas que caracterizan la distribución de temperaturas en el mismo, para lo

cual es necesario resolver la ecuación diferencial de Fourier para la conducción

dentro del cuerpo del rotor.

Para esto se utiliza el Método del Elemento Finito, ya que la geometría del

rotor es bastante compleja. En general, se debe hacer notar que en el análisis

de transferencia de calor de un rotor en estado transitorio desde un punto de

vista analítico se hace uso de las ecuaciones gobernantes del fenómeno de

manera adimensional. Estos números son relacionados mediante cartas

gráficas o nomogramas.

La expansión de un gas en una tobera para producir una corriente de alta

velocidades un proceso que convierte energía interna en energía cinética.

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Esta energía cinética puede a su vez convertirse en trabajo de eje cuando el

flujo pega en los alabes de una flecha giratoria. Es así como una turbina

(o expansor) está formada por un conjunto alterno de toberas y alabes

giratorios a través de los cuales fluye vapor o gas en un proceso de expansión

de estado estable, cuyo efecto global es la conversión eficiente de la energía

interna de una corriente de alta presión en trabajo de eje.

Cuando el vapor de agua proporciona la fuerza motriz, como sucede en una

planta de energía, el dispositivo se conoce como turbina; cuando se utiliza gasa

alta presión como fluido de trabajo, como puede ser el amoniaco o el etileno en

una planta química o petroquímica, el dispositivo se conoce a menudo como

expansor.

Las ecuaciones constituyen relaciones de energía apropiadas.

Sin embargo, puede omitirse el término de energía potencial, debido a que el

cambien la elevación es pequeño. Por otra parte, en cualquier turbina diseñada

demanera apropiada, la transferencia de calor es despreciable y las tuberías de

entrada y salida tienen un tamaño tal que las velocidades del fluido son casi

iguales.

Por tanto,

w=mΔH

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Proceso de expansión adiabática en una =turbina o expansor.

Ws=ΔH

Normalmente, se conocen las condiciones en la entrada TI y Pr y la presión

de descarga P2. Por tanto, en la ecuación sólo se conoce a HI, quedando Hz

y W, como incógnitas.

La ecuación de energía por sí sola no permite la realizaciónde cálculos. Sin

embargo, si el fluido en la turbina experimenta un proceso de expansión que

sea reversible y también adiabático, entonces el proceso es isentrópico,y

Ss = Sr. Esta segunda ecuación permite determinar el estado final del fluido y,

por tanto, a Hs. Para este caso especial, puede evaluarse a W, mediante la

ecuación

WS= (isentrópico) = (ΔH)S

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El trabajo de eje dado por la ecuación es numéricamente el máximo

que puede obtenerse de una turbina adiabática con condiciones de entrada y

presión de descarga dadas. Las turbinas reales producen menos trabajo debido

a que el proceso de expansión real es irreversible. Por tanto, se define la

eficiencia de una turbina como.

n= WS

WS (isentrópico)

Donde W, es el trabajo de eje real.

n= ΔH

(ΔH)s

Los valores de n para turbinas o expansores diseñados de manera apropiada

usualmente se encuentran entre 0.7 y 0.8.

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La figura muestra un diagrama HS en el cual se comparan el proceso de

Expansión real en una turbina y el proceso reversible para las mismas

condiciónese entrada y presión de descarga. La trayectoria reversible es una

línea vertical de entropía constante que va del punto 1 donde la presión de

entrada es PI al punto2’, donde la presión P2 es la de descarga.

La línea que representa el proceso irreversible real comienza también en el

punto 1, pero está dirigida hacia abajo y a la derecha, en la dirección en la cual

aumenta la entropía. Puesto que el proceso es adiabático, las irreversibilidades

provocan un aumento en la entropía del fluido.

El proceso termina en el punto 2, sobre la isobara para P2. Entre más

irreversible sea el proceso, este punto se encontrará más a la derecha de la

isobara para P2, y la eficiencia q del proceso será menor.

Ejemplo.

Una turbina de vapor de agua con una capacidad de 56 400 Kw.

Trabaja con vapor. Las condiciones de entrada del vapor son 8 600 kPa y

5OO”C, y la descarga se hace en un condensador a una presión de 10 kPa.

Si se supone que la eficiencia de la turbina es 0.75, determine el estado del

vapor en el punto de descarga y la rapidez de flujo de masa del vapor.

Solución.

Para las condiciones de entrada de 8 600 kPa y 500°C, los siguientes

Valores se obtienen de las tablas de vapor:

H1 = 3 391.6 kJ kg-l

S1 = 6.6858 kJ kg-’ K-’

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Si la expansión a 10 kPa es isentrópica, entonces

82 = S1 = 6.6858

El vapor con esta entropía a 10 kPa es húmedo, con lo que se aplica la

ecuación

s = (1 - XW) Sl + XWSW = sI+ X (SW - Sl)

Entonces

6.6858 = 0.6493 + ~;(8.1511- 0.6493)

Y

X2’ = 0.8047

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Ésta es la calidad (fracción de vapor) del flujo de descarga en el punto 2’. La

entalpía

H2’ también está dada por la ecuación, escrita como

H=Hl+xW(HW-Hl)

En consecuencia,

H2 = 191.8 + 0.8047 (2 584.8 - 191.8) = 2 117.4 kJ kg-’

Y

(ΔH) = H2 –H1 = 2 117.4 - 3 391.6 = -1274.2 kJ kg-’

De acuerdo con la ecuación, se tiene entonces

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AH = Ti = (0.75) (-l 274.2) = -955.6 kJ kg-’

De aquí que.

Hz = HI + AH = 3 391.6 - 955.6 = 2 436.0 kJ kg-’

Por tanto, el vapor en el estado final también es húmedo, y su calidad se

encuentra con la ecuación:

2 436.0 = 191.8 + X2 (2 584.8 - 191.8)

Cuya solución es.

X2 = 0.9378

Finalmente,

S2 = 0.6493 f (0.9378)(8.1511- 0.6493) = 7.6846 kJ kg-’

K-’

Este valor puede compararse con el valor inicial de S1 = 6.6858.

La rapidez de flujo del vapor se encuentra

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Para - w, =56 400 KW o 56 400 kJ s-l, se tiene

-56 400 = m (2 436.0 - 3 391

Y

m = 59.02 kgs-1

VÁLVULAS DE STRANGULAMIENTO

I. OBJETIVO:

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La aplicación de la primera ley de la Termodinámica, nos permite en este

equipo; tras la evaluación matemática, y la diligencia de los conocimientos

adquiridos del tema; comprobar que no hay liberación de Calor y que su

entalpía es 0.

II. MARCO TEÓRICO:

Un dispositivo de estrangulación es un aparato destinado a

reducir irreversiblemente la presión de un fluido en

movimiento sin obtener trabajo “en el eje” o útil. La válvula

que reduce la presión del agua en un grifo o llave

doméstica, desde la presión de la cañería principal hasta la

presión atmosférica, es un buen ejemplo de un dispositivo

de estrangulación.

Una válvula de estragamiento es un mecanismo de

regulación automática accionado por piloto o relé.

Una válvula reductora accionada por piloto. La válvula piloto deja pasar una

parte del material a alta presión, hasta el lado de baja presión, aplicando la

presión intermedia continúa entre las dos agujas piloto, por intermedio del tubo,

a la superficie inferior del diafragma 2 que regula la válvula principal. La

posición del piloto se regula a su vez por la acción de la presión que actúa

sobre el diafragma 1 y la fuerza del resorte que se opone al diafragma.

El flujo de gases o líquidos a través de una válvula

de estrangulamiento en la mayoría de casos ocurre

tan rápido y en un espacio tan pequeño, que no hay

suficiente tiempo ni un área suficientemente grande

para una transmisión de calor apreciable.

Una válvula de estrangulamiento en la base del

carburador controla la cantidad de aire tirada a

través del artefacto por el vacío parcial en los pistones.

El conductor abre la válvula de estrangulamiento apretando el acelerador

(pedal de gas). Cuando la válvula se vuelve más ancha, fluye más aire a través

del carburador y entrega cantidades más grandes de combustible al artefacto.

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El conductor cierra la válvula de estrangulamiento disminuyendo la presión en

el pedal de gas.

III. EVALUACIÓN MATEMÁTICA:

Primera Ley de la Termodinámica:

“Todo sistema abierto trabaja en: Régimen permanente”

Las propiedades termodinámicas (físicas y químicas) no sufren variación con el

tiempo, propiedad constante con el tiempo.

La mayoría de los dispositivos de estrangulación producen un cambio

despreciable Pues estos términos son usualmente muy pequeños en

comparación con el término .

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El balance energético queda reducido a:

Dado que los dispositivos de estrangulamiento no entregan trabajo al ambiente,

, y la Ecuación se reduce a:

Usualmente el fluido que pasa a través de un dispositivo de estrangulamiento

se está moviendo con tanta rapidez que no permanece dentro del dispositivo el

tiempo suficiente para absorber, o entregar, mucho calor. Por tanto, en muchos

casos es razonable considerar que: (a menos que se haga un esfuerzo

especial para proveer calentamiento o enfriamiento dentro del

dispositivo).Entonces se comporta como un proceso adiabático pues se

desprecia el término “Q”.

Entonces:

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VI. CONCLUSIONES:

Al Aplicar la primera ley de la Termodinámica hemos llegado a la conclusión

que no hay variación de calor o la pérdida es insignificante, es decir no

transfiere ni absorbe calor, pues su fluido pasa con rapidez. Entonces

suponemos que su comportamiento sería adiabático, pues la cantidad de calor

que se pierde es despreciable.

Podemos afirmar también que no produce trabajo en el eje o útil.

CONCLUSIONES GENERALES

Aquí concluye el módulo. A continuación se presenta una lista con algunos de

los principales puntos que deben haberse revisado a lo largo del mismo.

 Los procesos termodinámicos son los responsables finales de todos los

movimiento dentro de la atmósfera. Cuando se estudia un

sistema meteorológico particular, se asume que la energía se conserva

para ese sistema.

 Para la mayoría de las situaciones se puede asumir que el aire se

comporta como un gas ideal y por tanto obedece la ley de los gases

ideales. La ley de los gases ideales puede expresarse de diversas

formas.

 La primera ley de la termodinámica establece que la energía añadida a

o eliminada de un sistema se utiliza para realizar un trabajo en o por el

sistema y para aumentar o disminuir la energía interna (temperatura) del

sistema.

 Un proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de

energía entre una parcela de aire (seco) y su entorno. Si la entropía

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de la parcela no cambia a lo largo de su movimiento, entonces el

movimiento es isentrópico

 De la integración de la forma entrópica de la primera ley de la

termodinámica se obtiene una expresión para la temperatura potencial

de una parcela de aire. Esto es, la temperatura absoluta que alcanzaría

una parcela de aire si se moviera adiabáticamente hasta el nivel de

presión de 1000 hPa.

 Para el aire húmedo se necesita modificar la ley de los gases ideales

teniendo en cuenta la humedad específica y la proporción de mezcla del

vapor de agua.

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BIBLIOGRAFIA

Feynman R., Leighton R., Sands M., Física, Vol I, Addison Wesley

Iberoamericana, 1987

Piña Garza, Eduardo, Termodinámica, Ed. Limusa, Primera edición.

http://rammb.cira.colostate.edu/wmovl/VRL/Tutorials/euromet/

courses/spanish/nwp/n2300/n2300099.htm

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