CÁLCULOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS · PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION ......
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA TEMA1: CÁLCULOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS. ING. CARACCIOLO GÓMEZ
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO
PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA
TEMA1:
CÁLCULOS Y PROCESOS
TERMODINÁMICOS.
ING. CARACCIOLO GÓMEZ
ENERGÍA
Energía Definición:Es la capacidad de un sistema o cuerpo para producir un cambio
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA:
Sistema
(1)
Sistema
(2)
Calor21 TT
La energía puede cruzar la frontera de un
sistema cerrado en dos formas distintas:
trabajo y calor.
El calor se denota con , y como es una forma de energía, tiene unidades en:
sistema internacional (SI):
KJ ó Kcal
sistema ingles (USCS):
BTU
Q
El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un
sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Es decir la
interacción de energía es calor solo si ocurre por diferencia de temperatura.
CALOR:
TRABAJO:
El trabajo es la transferencia de energía a través de las fronteras entre un sistema(abierto o cerrado) y sus alrededores, asociada a una fuerza (F) que actúa a lo largo deuna distancia (s).
La fuerza aplicada a un sistema, proviene de otras formas de energía como el calor y la electricidad.
Las unidades utilizadas:
Sistema internacional (SI): Sistema ingles (USCS):
KJ/Kg Btu/Lbm
TRABAJO:
MASA:
La masa, como la energía, es una propiedad conservativa, y no puede crearse ni destruirse.
La masa se conserva aun en reacciones químicas
Tasas de flujo masico:
La cantidad de masa que fluye a través de una sección transversal por unidad detiempo se denomina tasa de flujo masico y se denota con, y es proporcional al áreatransversal del ducto, a la densidad y velocidad madia del fluido.
Am m Perfil real y promedio de la velocidad
para el flujo en tuberías.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica, también conocida como principio de la conservación
de la energía, brinda una base sólida para el estudio de las relaciones entre diversas
formas e interacciones de energía.
sistemadeltotal
energialaenCambio
sistemadelsaleque
totalEnergia
sistemaalentraque
totalEnergia
etcpotencialcineticaernasenergía
lasencambiodeTasa
sistema
masaytrabajocalorporenergíade
netatrafereciadeTasa
saleentre
etcpotencialcineticaernasenergía
lasenCambio
sistema
masaytrabajocalorporenergíade
netaTraferecia
saleentre EEEEEE
,,,int,
,,,int,
Con base en estas expresiones, la primera de la termodinámica declara que la energía
no puede crearse ni destruirse; solo transformarse.
En ausencia de
cualesquier interacción de
trabajo, el cambio de
energía de un sistema es
igual a la transferencia
neta de calor.
El cambio de energía de
un sistema es igual al
trabajo neto y la
transferencia neta de calor
entre el sistema y sus
alrededores.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Mecanismos de transferencia de energía:
La energía puede ser transferida desde o hacia un sistema en tres formas: calor, trabajo
y flujo másico, y la transferencia neta de una cantidad es igual a la diferencia entre las
cantidades transferidas, entonces el balance de energía se plantea como:
sistemasalemasaentramasaentrasalesaleentrasaleentra EEEWWQQEE ,,
Balance de energía para sistemas cerrados:
La relación del balance de energía en tal caso para un sistema cerrado es:
EWQoEWQ sistemasalenetoentraneto ,,
donde,
entrasalesaleneto
saleentraentraneto
WWWW
QQQQ
,
,
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Balance de energía para sistemas cerrados:
pc
pc
pC
eeuwq
eeuwq
UWQ
EEUWQ
Ecuación general:
Sistemas estacionarios:
Por unidad de masa:
Forma diferencial:
Balance de energía para sistemas de flujo estable:
En un volumen de control ninguna propiedad cambia con el tiempo. El contenido de
energía que entra (Calor, Trabajo y Masa) es igual a la que sale, y el cambio en la
energía total del volumen de control es cero. Por lo tanto, el balance de energía se
reduce a:
salidalaamasaytrabajocalorportrasferida
energíadenetaTasa
sale
entradalaamasaytrabajocalorportrasferida
energíadenetaTasa
entra EE
,,
El balance de energía, establecido para un sistema de flujo estable es general se expresa así:
sale
salesalesaleentrasaleentra
entraentraentrasaleentra gzhmWQgzhmWQ
22
22
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Balance de energía para sistemas de flujo no estable:El contenido de energía de un volumen de control cambia con el tiempo durante un proceso de flujo no estable o flujo uniforme; y es expresando por la siguiente ecuación como:
1122 pcpcspcsesepceee eeumeeumeehmWQeehmWQ
Cuando los cambios de energía cinética y potencial asociados con el volumen de control y las corrientes del flujo son despreciable, como sucede generalmente, el balance de energía anterior se simplifica como sigue:
1122 umumhmWQhmWQ sseseeee
Donde los subíndices ,
:
:
s
e Entrada al volumen de control.
Salida al volumen de control.
La forma y el
tamaño de un
volumen de control
pueden cambiar
durante un proceso
de flujo no estable.
La carga de un
tanque rígido
desde una línea de
alimentación en
proceso de flujo no
estable .
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICALos enunciados de Kelvin-Planck y Clausis son equivalentes en sus consecuencias y cualquiera de ellos es útil como la expresión de la segunda ley de la termodinámica. Cualquier dispositivo que viole el ensuciados de Kelvin-Planck viola también el de Clausius y viceversa.
Enunciado de Kelvin-Planck:
Es imposible para cualquier dispositivo que
funcione en un ciclo recibir calor de un
depósito y producir una cantidad neta de
trabajo.
Enunciado de Clausius:
Es imposible construir un dispositivo que
funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea
producir la transferencia de calor de un
cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo
de temperatura más alta.
MAQUINAS TÉRMICAS
Es un dispositivo que permite trasformar la energía en forma de calor en trabajo.Destacando que existen diferencias considerables entre ellas, pero con característicascomunes como:
1) Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc).
2) Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje en rotación).
3) Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc).
4) Funciona en un ciclo.
cedsum
cedsumsalnet
cedsumsalnet
QQW
QQW
,
,
salnetW ,
cedQ
sumQ
REFRIGERADORES
Son dispositivos que permiten la transferencia de energía en forma de calor desde unaregión de temperatura inferior (Extrayendo calor de ella) hacia una región de temperaturasuperior. Estos dispositivos están provisto de cuatros elementos básicos que conforman elciclo termodinámico por lo cuales circula el fluido de trabajo (refrigerante).
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
Proceso reversible:
Es el que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores; tanto el sistema ylos alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto esposible sólo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y losalrededores es cero para el proceso combinado.
Proceso irreversible:Los procesos que no son reversibles se conocen como irreversibles y los factores quelos causan son: La fricción, la expansión libre, la mezcla de dos fluidos, la transferenciade calor a través de un diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, ladeformación inelástica de los sólidos y las reacciones químicas.
Expansión libre
del gas.Transferencia
de calor.
Péndulo sin
fricción.Compresión y expansión
en cuasiequilibrio de un
gas.
CICLO DE CARNOT
Expansión isotérmica reversible:
Proceso 1-2, constante.HT
Expansión adiabática reversible:
Proceso 2-3, disminuye de LH TaT
Compresión isotérmica reversible:
Proceso 3-4, constante.LT
Compresión adiabática reversible:
Proceso 4-1, aumenta de HL TaT
Las eficiencias térmicas de maquinas térmicas reales y reversible que operan entre los
mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente:
revt
revt
revt
t
,
,
.,
Máquina térmica irreversible.
Máquina térmica reversible.
Máquina térmica imposible.
DIFICULTAD PARA LLEVAR EL CICLO DE CARNOT A LA PRACTICA
Tiene que ver con los equipos, la mayoría de ciclos encontrados en la practica difierensignificativamente del de Carnot, además de que el ciclo de Carnot es tanto interna comoexternamente reversible a diferencia de los demás ciclos. De ahí que se inadecuada suaplicación como modelo realista. La maquina térmica Real no puede alcanzar estamáxima eficiencia teórica porque es imposible eliminar por completo lasirreversibilidades relacionadas con el ciclo real.Además no es factible económicamente eliminar las causas de irreversibilidad (fricción ytransferencia de calor esencialmente). Existen dificultades para la implantación de losprocesos de absorción y expulsión de calor a temperatura constante debido a la velocidadde respuesta limitada de los sistemas de control.
PROCESOS ISOENTROPICOS
Los procesos internamente reversibles pueden utilizarse como modelos estándar con elque pueden compararse todos los procesos reales (Irreversibles). La entropía de unamasa fija puede cambiarse por: La trasferencia de calor, caídas de presión en las líneasdebido a fricción de los fluidos al circular o moverse por los sistemas entre otrascaracterísticas principales, durante los procesos reales (Irreversibles). Un procesointernamente reversible y adiabático, es aquel donde la entropía durante ese procesopermanece constante se denomina isoentropico (entropía constante), es decir lavariación de entropía de una masa determinada debe ser cero el cual se caracteriza por:
Δs =0 o s2=s1
Muchos dispositivos de interés en ingeniería son prácticamente adiabáticos comobombas, turbinas, difusores y toberas entre otros. Así, los procesos isoentropicos seutilizan como modelos idealizados con el que pueden compararse los procesos realesadiabáticos.
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
IDEALES
Una planta está conformada por una serie de equipos indispensables para cada proceso.Muchos de estos procesos son Adiabáticos reversibles, es decir Isentrópicos (S= const.).
Intercambiadores de Calor:
CalderaVap. Sob.
Q
Liq. Sat
1
2
21
21
2211
0
PP
mm
hmhmQ
w
Condensador
1 2
Q
21
2211
0
mm
hmhmQ
w
L
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
IDEALES
Intercambiadores de Calor:
Estableciendo el desconocimiento en las direcciones de las transferencia de energías
se plantea:
entsal hhmQ
entradacadapara
entraentra
entraentra
salidacadapara
salesale
salesale gzhmgzhmWQ
22
22
Despreciando los cambios en la ec y ep
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
IDEALES
Turbinas:
Despreciando los cambios en la ec y ep
1
2
w
21
2211
12
12
0
mm
whmhm
PP
TT
Q
Análisis Energético:
sale
salesalesaleentrasaleentra
entraentraentrasaleentra gzhmWQgzhmWQ
22
22
salent hhmW
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
IDEALES
Bombas:
Cuado las corrientes son isentrópicas, la temperatura permanece constante y el trabajo
de la bomba depende del trabajo de flujo. Es decir:
2
1
dPvWrev
2
1
pcdPvWrev
2
1
dPvWrev
Despreciando los cambios en la ec y ep
Para bombas y compresores
Hay que conocer v como función de P, cuando el fluido es incompresible el volumen
especifico permanece constante, y el trabajo se plantea:
121 PPvWrev
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
IDEALES
Eficiencia Total de la Planta:
Se define como el trabajo neto realizado, entre la entrada de calor al sistema.
sum
BOMBATURB
sum
netoter
Q
WW
Q
W
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
REALES
Los datos se toman a partir de mediciones reales de presión y temperatura, tanto en la
entrada como en la salida de cada dispositivo y así determinar la variación de entalpía.
Las irreversibilidades acompañan necesariamente a las corrientes de fluidos a través
de dispositivos estacionarios reales y degradan el comportamiento de estos
dispositivos. Resulta útil disponer de parámetros para comparar el comportamiento
real con el que se obtendría en condiciones ideales. En estos parámetros es necesario
reconocer que el flujo real de muchos de estos dispositivos de ingeniería, es
prácticamente adiabático.
Una medida para determinar el comportamiento real de los dispositivos consiste en
comparar el comportamiento real con el que se obtendría en condiciones
Isoentropicas. La eficiencia o comportamiento real se determina a partir del
rendimiento adiabático o isentrópico de un dispositivo
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
REALES
Caldera:
Se define en términos de la energía útil absorbida por el agua, entre la energía útil
suministrada por el combustible. Existen caídas de presión entre la entrada del agua de
alimentación y la salida de vapor calentado por lo que las entalpías deberán calcularse
con valores reales medidos de temperatura y presión
PCsm
Qa
Qs
Qacald
.
Qa: Poder calorífico absorbido por el agua
Qs: Poder latente suministrado por el combustible
m: Caudal de consumo de combustible
PC: Poder Calorífico
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
REALES
Turbinas:
Se define como el cociente entre el trabajo de salida real Wsal (o potencia de salida
real ) y el trabajo de salida isoentropica (o potencia de salida ) que se obtiene
si el fluido se expansiona desde el estado de entrada hasta la misma presión de salida.
sSALIDAS
SALIDATURB
hh
hh
W
W
21
21
Bombas:
Se define como el cociente entre el trabajo isoentropico Wsentrada y el trabajo
real necesario para el mismo estado a la entrada y la misma presión de
salida
12
12
hh
hh
W
WS
ENTRADA
ENTRADAS
BOMBA
El subíndice S representa el proceso isentrópico
.
ALSW.
SALSW
CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS
REALES
Eficiencia Total de la Planta:
Se define en términos de la potencia real y neta producida por la planta y el consumo
de energía en la caldera.
PCm
WW
Qsum
netaW
s
BOMBTURBter
DIAGRAMAS TERMODINAMICOS
Temperatura – Entropía (T-s):
En análisis de la segunda ley la entropía se utiliza como coordenada. Cuando el
sistema sufre variación de temperatura.
2
1intint dsTQdsTQ revrev
DIAGRAMAS TERMODINAMICOS
Entalpía – Entropía (h-s):
Se utiliza en análisis de dispositivos de flujo estable. La distancia vertical ( h) esta
relacionada con el trabajo, la distancia horizontal (ΛS), representa las
irreversibilidades.
