“Año de la Consolidación Económica y Social del Perú”

UNIVERSIDAD NACIONAL "SAN LUIS GONZAGA" DE ICA

FACULTAD DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAQUIMICA

TEMALA TERMODINAMICA APLICADA A EQUIPOS

INDUSTRIALES

CURSO : Termodinámica

DOCENTE : ING. Rosalio Cusi Palomino

ALUMMOS : Sánchez Escobar Analy

Mendoza Alva Benito Ricardo

AÑO : 3ro

CICLO : VI-A

Ica – Perú2010

LA TERMODINAMICA APLICADA A EQUIPOS INDUSTRIALES

Introducción:

Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre.

Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación.

El origen fué sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo fué tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologías aplicadas con el fin de hacer mas fácil la vida del hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.

Más tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio máquinas térmicas-termodinámica.

En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía.

Para realizar una somera descripción del avance de la termodinámica a través de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas máquinas térmicas y dividimos su descripción en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica, la segunda la tecnológica y la tercera la científica.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica es un principio general que considera que las energías transferidas [Eentra - Esale] como la energía térmica (calor) y la energía mecánica (trabajo) son iguales a la diferencia de las energías transportadas desde el estado inicial 1 al estado final 2 del proceso de flujo [DEsistema]. Las energías transportadas desde el estado 1 al estado 2 en un sistema abierto son la sumatoria de la entalpía, energía cinética y energía potencial:

Eentra - Esale = Sistemas

Energías transferidas = Energías transportadas

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción material, interacción en forma de trabajo e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como

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.

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

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.

Turbinas

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.

Existen varios tipos de turbina, y entre los más importantes es necesario destacar a las turbinas hidráulicas. Este tipo de turbo máquinas se caracterizan por poseer un fluido que, a lo largo de su trabajo, no presenta variaciones considerables en cuanto a su densidad. Las más comunes son las turbinas de agua.

Otro tipo de turbinas son las turbinas térmicas, que a diferencia de las hidráulicas poseen un fluido que si sufre cambios en su densidad a medida que pasa a través del rodete. A su vez, es posible encontrar turbinas térmicas de dos tipos: las turbinas a vapor y las turbinas a gas.

Finalmente, nos encontramos frente a las turbinas eólicas. Ésta turbo máquina permite utilizar el viento como fluido de trabajo, el que a través de su paso por la turbina, podrá ser transformado en corriente eléctrica. Lo anterior se realiza tomando la energía cinética o del movimiento del viento en energía mecánica, que gracias a los generadores de la turbina, podrá cambiar a otro tipo de energía, como por ejemplo a la eléctrica.

Turbinas de gas:

Una turbina de gas es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos

Tipos de turbinas de gas:

Las instalaciones de turbinas de gas pueden ser abiertas o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire. Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el Rodete de la Turbina (649 - 982)ºC, es necesario un elevado porcentaje de aire. Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple y poseer un sistema hermético. Puede diseñarse para altas relaciones peso/ potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento.

En las instalaciones de tipo cerrado, los productos de la combustión no pasan a través de las turbinas, sino por un intercambiador de calor. Los gases que atraviesan la turbina trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen, calientan, expansionan, y enfrían. Las instalaciones cerradas permiten quemar cualquier tipo de combustible en el combustor. Sin embargo, se necesita un intercambiador de calor. Este tipo de instalaciones esta limitado a las turbinas estacionarias.

CONCUSIONES

La aplicación de las turbinas es muy frecuente para obtener energía eléctrica ya sea por cualquier método posible. Un claro ejemplo es que las turbinas se pueden utilizar de muchas maneras como, por ejemplo, en una central térmica , una hidroeléctrica o una geotérmica ( ver páginas siguientes ).

Las turbinas han evolucionado mucho desde que surgieron como unas simples ruedas, después empezaron a conectarse a otros aparatos para utilizarse con máquinas como las de un molino de papel (un claro ejemplo de molino de papel es el de Capellades ) pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales (normalmente eléctricas ) de hoy en día. Un ejemplo de una de las centrales hidroeléctricas más modernas de España es la central reversible de Capdella en el Pallars Jussà. En esta central utilizan el agua del Estany Gento para mover las turbinas y producir, mediante alternadores, energía eléctrica . Pero por la noche se hace el proceso contrario, debajo del lago han hecho un embalse donde almacenan el agua que, por la noche bombean otra vez hacia arriba con una pequeña parte de la energía producida.

Mediante las turbinas hemos podido aprovechar diversas energías que no podrían haber sido aprovechadas de otra manera. Con éstas hemos podido sacar provecho de muchos tipos distintos de energías como la nuclear o la térmica.

Compresores

OBJETIVOS:

Analizar la existencia del mantenimiento de los compresores

Establecer principios para la elaboración de los programas de mantenimiento

DEFINICION:

Un compresor es una maquina 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.

Usos:

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 Bryton.

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.

Ejemplo:

Compresor de aire

Un compresor succiona aire del medio ambiente a una presión absoluta de 100 kPa y 27 ºC. La presión del aire del lado de la descarga del compresor es de 400 kPa y su temperatura de 197 ºC. La velocidad del aire del lado de la succión (entrada) del compresor es prácticamente despreciable, mientras que la velocidad del aire del lado de la descarga (salida) es de 90 m/s. El flujo de masa del aire que circula a través del compresor es de 1,000 kg/min. El compresor opera en condiciones adiabáticas. Determine la potencia del compresor, (kJ/s).

Balance (de primera ley)

Optimización de Compresores

El aire comprimido es uno de los servicios auxiliares indispensables dentro de la industria y su generación tienen un impacto directo en los costos de operación de

las plantas de proceso; razón por la cual es necesario poner especial atención en el funcionamiento de los dispositivos involucrados en dicho servicio.

Función:Los compresores tienen la función de elevar la presión de flujos de gas o aire de acuerdo a las necesidades de proceso requeridas; existan diversas estrategias para lograr una operación dentro de parámetros óptimos.

Funcionamiento:Por los tipos de flujo requeridos, los compresores se pueden clasificar en continuos e intermitentes. Dentro de la división de los compresores para flujo continuo encontramos a las unidades de tipo centrifugas las cuales serán nuestro foco de estudio, Los arreglos en batería son aplicaciones especialmente atractivas.

Proceso:El control de los compresores se tiene que cumplir con 2 requerimientos fundamentales, principalmente el punto de ajuste tiene que variar para lograr el control de flujo o presión a la entrada o la salidaen segundo lugar, las condiciones de carga tienen que estar alejadas de venteo o re circulación de una porción de aire comprimido.

Los sistemas múltiples conectados en serie o paralelo, pueden tener drivers, motores o plantas de fuerza comunes o independientes los cuales pueden ser administrados a través de una adecuada estrategia de control con la finalidad de alcanzar el óptimo funcionamiento del sistema por que el tiene la función de controlar la capacidad, el rango de flujo de las operaciones diarias.

Beneficios:Los arreglos en baterías son aplicaciones especialmente atractivas donde se pueden analizar formas de reducir el consumo de energía

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 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.

Conclusión

Después de finalizar he notado la importancia que tienen las compresoras en nuestra vida diaria, también la relevancia que tienen en la tecnología mecánica.

De igual forma se puede decir que es fundamental para ampliar y profundizar mucho mas en lo que son la turbo maquinas y su utilidad en nuestra sociedad.

Tobera

Una tobera es un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética. Como tal, es utilizado en

turbomáquinas y otras máquinas, como eyectores, en que se pretende acelerar un fluido para la aplicación de que se trate. El aumento de velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompañado por una disminución de su presión y temperatura, al conservarse la energía.

Tobera de vapor

Una tobera que opera en régimen estable, ingresa vapor a 250 Psia y 700ºF cuya área de entrada es 0.2 pie2. El flujo másico del vapor a través de la tobera es de 10 lbm/s. El vapor sale de la tobera a 200 psia con una velocidad de 900 pie/s. Se estima que las pérdidas de calor de la tobera por unidad de masa de vapor serán de 1.2 Btu/lbm. Determine la velocidad de entrada y la temperatura de salida del vapor.

Para calcular la velocidad de entrada se debe conocer el volumen específico en ese punto y aplicar la ecuación de continuidad:

Volumen especifico a la entrada de la tobera:

Tobera De Laval

De Laval estudió el flujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente-divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos supersónicos M > 1.

Estas toberas deben tener una expansión adecuada para evitar la generación de ondas de choque o de contracción dentro del flujo.

La tobera es la encargada de convertir energías, adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados. La tobera que usan los cohetes experimentales se denomina De Laval y los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles al moverse a velocidades supersónicas, por lo que, las diferentes secciones transversales, producen durante el avance de los gases, variaciones en la densidad y en la velocidad del fluido. Todo ello está supuesto para condiciones de flujo isoentrópico, es decir, condiciones adiabáticas y sin rozamiento. En la práctica, no existe la condición de flujo isoentrópico ideal, por lo que se aplica un coeficiente de rendimiento que ajusta el cálculo.

La ley de la conservación de la energía se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinámica de fluidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto «Velocidad x Temperatura».

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).

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.

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)

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:

CONCLUCIONES DE LA TERMODINAMICA EN EQUIPOS INDUSTRIALES:

Este trabajo es realmente importante para mi desarrollo profesional y para la consulta de todos los estudiantes y personas interesadas en esta materia.

De igual forma se puede decir que es fundamental para ampliar y profundizar mucho mas en lo que son la turbo maquinas y su utilidad en nuestra sociedad

BIBLIOGRAFIA:

http://es.wikipedia.org/wiki/Tobera

http://www.termodinamica.com.pe/

Boltzmann, Ludwig (1986). Escritos de mecánica y termodinámica . Alianza Editorial. ISBN 842060173X .

Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a Gibbs . Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia. ISBN 978-84-609-7580-9 .

Planck , Max (1990). Treatise on Thermodynamics . Dover Publications. ISBN 048666371X .