maquina termicas

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Máquinas Térmicas Prof. Sr. Ubaldo Zúñiga Q. INTRODUCCION La temática que se aborda en este curso está asociada a Máquinas, Equipos y Sistemas o instalaciones térmicas. Operan con fluidos que experimentan cambios en sus propiedades (Presión, Temperatura, Volumen, Densidad, y otras.) Como consecuencia, permiten TRANSMISIÓN DE ENERGÍA. Interesan: La Energía transmitida en forma de: Calor.. y en forma de Trabajo……. (mecánico) ¿Dónde?:

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maquinas térmicas, temo dinamica

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    Departamento de Ingeniera Mecnica

    Mquinas Trmicas Prof. Sr. Ubaldo Ziga Q.

    INTRODUCCION

    La temtica que se aborda en este curso est asociada a

    Mquinas, Equipos y Sistemas o instalaciones trmicas.

    Operan con fluidos que experimentan cambios en sus propiedades

    (Presin, Temperatura, Volumen, Densidad, y otras.)

    Como consecuencia, permiten TRANSMISIN DE ENERGA.

    Interesan:

    La Energa transmitida en forma

    de: Calor.. y en forma de Trabajo. (mecnico)

    Dnde?:

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    Centrales Trmicas: Plantas Termoelctricas

    Plantas Trmicas Industriales

    Centrales solares trmicas, geotrmicas, nucleares

    Calderas y Generadores de Vapor

    Turbomquinas (Turbinas de vapor, de gas, turbocompresores)

    Motores de Combustin Interna

    Compresores

    Sistemas de Refrigeracin

    Bombas de Calor

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    Asimismo:

    Quemadores y Cmaras de Combustin

    Hornos

    Intercambiadores de Calor

    Sistemas de Calefaccin y Aire Acondicionado

    Torres de Enfriamiento

    Chillers, evaporadores, etc.

    Equipos y sistemas para tratar

    gases de combustin

    (ciclones, filtros de manga, precipitadores electrostticos chimeneas industriales)

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    CHILLERS

    Un Chiller, o enfriador de agua, es un equipo industrial que produce agua fra para el

    enfriamiento de procesos industriales. Tambin son de amplio uso en sistemas de

    climatizacin.

    Un chiller es un sistema completo de refrigeracin que incluye un compresor, un

    condensador, evaporador, vlvula de expansin (evaporacin), refrigerante y

    tuberas, adems de bomba de impulsin de agua a/desde el proceso, sistema

    electrnico de control del sistema, depsito de agua, gabinete, etc.

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    Muchos equipos, tales como intercambiadores

    de calor, sistemas de calefaccin, calderas,

    hornos y otros, son sistemas trmicos en los

    cuales la interaccin energtica fundamental es

    CALOR, el cual se transmite por conduccin,

    conveccin o radiacin

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    Aspectos habitualmente presentes son, entre otros:

    Propiedades de la materia,

    Combustibles y procesos de combustin

    Gases y vapores

    Flujos de fluidos

    Eficiencias

    Transferencias energticas

    Efectos notorios visibles:

    Consumos de energa

    Efectos sobre el medio ambiente

    Aplicacin de ingeniera trmica (anlisis de MT), permite:

    Optimizacin energtica

    Aumento de produccin

    Reduccin de gastos

    Menores emisiones

    Certificaciones, cumplimiento de normas

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    La importancia de los anlisis, evaluaciones y estudios

    referidos al sector trmico, son en la actualidad relevantes,

    a pesar de que sus efectos, caractersticas y aplicaciones

    han estado presentes en la ingeniera desde sus inicios.

    La gran diferencia es que hoy

    el consumo energtico y sus efectos

    Medioambientales estn sujetos a

    legislacin, certificaciones, norma-

    tivas y reglamentos en casi todos

    los pases del mundo.

    En Chile hoy (desde hace muy

    poco tiempo) existe una

    institucionalidad energtica y ambiental bien estructurada

    que acta, particularmente en el plano medioambiental, de

    manera cada vez ms rigurosa.

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    Todo proceso o aplicacin industrial, minera o de cualquier

    ndole, sea pblica o privada, debe contar en la actualidad

    con una certificacin ambiental, que se conoce como RCA

    (Resolucin de Certificacin ambiental).

    La RCA permite llevar acabo una determinada actividad,

    sujeta a ciertos compromisos en materia medioambiental.

    Si esos compromisos no se cumplen,

    la entidad que los transgrede puede

    sufrir fuertes sanciones, de manera

    que los efectos para esas empresas

    o instituciones pueden llegar a ser

    muy severos (incluso verse

    obligadas a cerrar). SMA

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    DE MODO QUE:

    HOY CONTAMINAR NO ES GRATIS -NI ESTA

    PERMITIDO- NI ES ACEPTADO POR LA

    COMUNIDAD!!!!!

    Si el efecto es debido a aplicaciones

    trmicas, entonces:

    LA INGENIERIA TERMICA: UNA

    HERRAMIENTA

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    MAQUINAS TERMICAS Descripcin.

    LAS MAQUINAS TERMICAS son equipos en los que existen manifestaciones de

    energa, principalmente expresadas en forma de calor y de trabajo (trabajo mecnico

    => movimiento de eje o mecanismos). Requieren para ello de un fluido, el cual opera

    entre dos fuentes de temperatura, una de alta temperatura (TH) y una de baja (TL).

    Ejemplo:

    Caldern

    Pistn Biela Cilindro

    Gases de Escape

    Polea

    Calor de combustin

    Hogar o Cmara de Combustin

    Vapor

    Fuerza de Impulso (F = P*A)

    Agua

    Llama

    Manivela

    Correa

    Energa Elctrica

    Generador Combustible

    Entrada de

    aire

    Preguntas:

    Fluido de

    Trabajo?

    Vapor

    Fuente de

    Calor?

    Combustible

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    Concepto de Mquina Trmica:

    Una Mquina Trmica es un sistema termodinmico que opera cclicamente

    entre dos fuentes de temperatura (alta y baja) y a travs de cuyas fronteras se

    intercambia calor y trabajo, producto de la accin de un fluido como sustancia

    de trabajo. (Fuente: Elaboracin propia)

    La mquina trmica puede usarse para entregar trabajo a dispositivos externos,

    en cuyo caso el calor fluye desde la fuente de alta temperatura a la de baja (QH

    QL) generando trabajo, o puede recibir trabajo de dispositivos externos lo cual hace que fluya calor desde el nivel de baja temperatura al de alta

    temperatura (QL QH) .

    Esquemticamente, la representacin del primer caso (QH QL) puede hacerse de la manera siguiente:

    La diferencia entre QH y QL es Trabajo Neto WN

    WN = QH - QL

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    Representaciones

    diversas:

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    El Rendimiento Trmico de una mquina trmica (se expresa como ) es una relacin entre la energa til generada por sta (W) y la energa

    que se le debe suministrar (QH). As se tiene:

    Energa til Wtil

    = ------------------------ = ------------- Energa Suministrada QH

    Este trabajo til es el trabajo neto, WN , equivalente a la diferencia entre

    el calor de alta y el calor de baja.

    Esto es,

    Wtil = WN = QH - QL |valores absolutos|.

    As: = 1 -

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    Como se indic antes, una mquina trmica tambin puede recibir trabajo de

    dispositivos externos, con lo cual fluye calor desde QL QH. En este caso hablamos de una mquina trmica de sentido inverso.

    Mquina Trmica

    de sentido Inverso

    WN = QH - QL

    El trabajo, en todos los casos bajo

    este principio es:

    Ejemplo: En suma:

    Concepto de Mquina Trmica

    Mquina Mquina

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    El rendimiento en el caso de una mquina trmica de sentido inverso es designado

    como pero se conoce ms ampliamente como COP (Coefficient of Performance: Coeficiente de Rendimiento).

    En los sistemas operando en sentido inverso hablamos de

    REFRIGERADOR, cuando la energa til es QL,

    o de BOMBA DE CALOR (de calefaccin) si la energa til es QH.

    La energa requerida (WN) es suministrada por un compresor en los sistemas por compresin de vapor.

    COP =

    COP =

    Sentido inverso

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    En la prctica, una bomba de calor es un equipo trmico que puede operar tanto para calefaccin como para enfriamiento o refrigeracin (aire acondicionado); ello, a diferencia de un ciclo de refrigeracin que se emplea nicamente con ese propsito.

    En todos los casos el

    COP es un valor que

    debe ser >1 (los valores

    pueden ir desde

    2 hasta 6, - menor en

    sistemas de refrigeracin

    y mayor en bombas de

    calor-)

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    Ejemplos de Mquinas Trmicas:

    MCI de tipo alternativos (cilindro-pistn): Motor Diesel, Motor Otto

    MCI de tipo rotatorios: Motor Wankel

    Turbinas de Gas (de Potencia y de Reaccin)

    Turbinas de Vapor (Centrales termoelctricas, nucleares, solares, geotrmicas)

    Mquina de Vapor (ya fuera de uso masivo)

    Motor Stirling (motor de aire caliente de combustin externa, inventado en

    1816, an sin mayor uso masivo pero tambin an en investigacin en casos

    especficos)

    En estas mquinas trmicas el Calor fluye desde QH hacia QL)

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    Mquinas Trmicas

    Ejemplos de Mquinas Trmicas de sentido

    inverso (calor fluye de la fuente de baja a la de alta temperatura):

    Refrigeradores

    Bombas de calor

    Ventiladores (industriales)

    Compresores (de todos los tipos)

    Turbocompresores

    Compresor centrfugo: available up to 4500

    psig (310 bar) maximum working pressures

    and up to 35,500 acfm (60,300 m/h) flows.

    Power ratings range from 4,000 to 45,000

    hp (3,000 to 37,300 kW) at design speeds

    from 4,000 to 13,600 rpm

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    Clasificacin de las mquinas trmicas:

    En trminos simples, de acuerdo a lo ya visto, una mquina trmica es aquella

    que convierte energa trmica en mecnica y viceversa.

    De manera que una primera clasificacin es:

    A) En funcin del sentido de la transformacin de la energa:

    Motores trmicos.- mquinas que usan energa trmica, para obtener energa mecnica (Ejps.: MCI, Tgas, Tvapor, etc.)

    Generadores trmicos.- mquinas en las que energa mecnica, se transforma en energa trmica (Ejps.: BCalor, Refrigerador,

    Compresor,etc.)

    QL QH

    WN

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    Otra clasificacin:

    B) En funcin del sentido del movimiento mecnico tenemos:

    Mquinas rotativas: Los elementos mviles giran (ejp.: motores wankel, compresores rotatorios, compresores centrfugos, etc.).

    Mquinas alternativas o de mbolo: Transforman movimiento lineal de los mbolos en rotativo por mecanismos de bielamanivela (ejps.: Motor de pistn, compresor alternativo. mquina a vapor, etc.)

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    C) En funcin de la continuidad del fluido se tienen:

    Mquinas de desplazamiento positivo o volumtricas: aquellas en las que el fluido est confinado en un espacio concreto en las operaciones de compresin y

    o expansin. Pueden ser de movimiento alternativo (mbolo) o rotatorios (rotor).

    Mquinas de flujo continuo: en ellas el fluido se comprime o se expande en su paso sin quedar atrapado (ejp. Compresores centrfugos, turbomquinas).

    D) En funcin de la existencia de una combustin:

    Mquinas de combustin externa: aquellas que queman el combustible fuera de la propia mquina.

    Mquinas de combustin interna: aquellas que queman el combustible en el interior de la mquina.

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    Mquinas de fluido Son aquellas que usan la energa de un fluido (lquido

    o gas) para (o por) transformaciones energticas.

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    Turbomquinas Son aquellas mquinas de fluido cuyo

    funcionamiento se basa en la variacin del

    momento cintico del fluido, siendo la ecuacin

    de Euler su ecuacin fundamental.

    Ec. de Euler unidimensional

    Potencia trasegada por la mquina. >0 en turbinas,

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    Turbina de vapor Turbina hidrulica

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    Segn direccin del flujo

    Turbomquinas

    diagonales

    Turbomquinas

    radiales

    Turbomquinas

    axiales

    Turbomquinas

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    COMENTARIOS FINALES: 1.-

    En las mquinas de desplazamiento positivo, una cantidad determinada

    de fluido es retenida positivamente en su paso a travs de la mquina, experimentando variaciones de presin gracias a las variaciones de

    volumen del rgano en que es retenido (por lo que tambin se les llama

    volumtricas)

    Esto es, el fluido cambia su estado debido a un rgano que

    se mueve (embolo, membrana, engranaje).

    En las Turbomquinas el fluido vara su energa (la gana o la pierde) en el

    Rotor. En el resto de la mquina, ESTATOR, el fluido solo cambia la forma

    de la energa que posee.

    Una diferencia fundamental entre ambas (de desplazamiento positivo y

    turbomquinas) es que el intercambio de energa del fluido, en las

    primeras, se efecta siempre con variacin de presin a diferencia de

    las turbomquinas, en las que el intercambio de energa se realiza con

    variacin de energa cintica.

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    Imgenes sobre mquinas de Desplazamiento Positivo

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    2.-

    Se puede sealar, tcnicamente, que una mquina trmica es una

    mquina de fluido en la cual vara el volumen especfico del fluido y

    donde los efectos mecnicos y los efectos trmicos son

    interdependientes.

    Dada la variabilidad del volumen especfico, se puede agregar que en

    las mquinas trmicas, la compresibilidad del fluido no es despreciable

    siendo necesario considerar su influencia en la transformacin de

    energa.

    Recapitulando, se puede tambin decir que una mquina trmica

    es un conjunto de elementos mecnicos que permite intercambiar

    energa, generalmente a travs de un eje, mediante la variacin de

    energa de un fluido que vara su densidad significativamente al

    atravesar la mquina.

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    ECUACION FUNDAMENTAL DE LAS MAQUINAS,

    SISTEMAS E INSTALACIONES TERMICAS

    Consideramos como la ecuacin ms fundamental para el anlisis,

    evaluacin y clculo de mquinas, sistemas e instalaciones trmicas,

    la Ley (o Principio) de Conservacin de la energa (Balances de Energa)

    o Primera Ley de la Termodinmica, cuya expresin general es:

    - eje = ( +

    2

    2 + gz)s - ( + 2

    2 + gz)e

    Vlidas para sistemas abiertos (volumen de control) de flujo estacionario o

    estable, donde los subndices e y s corresponden a entrada y salida,

    respectivamente. =

    Asimismo,

    entrada - salida = 0 (Ley de Conservacin de masa, e s vlida para el mismo flujo)

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    EJEMPLOS: 1.- Intercambiador de Calor de Tubo y Carcaza

    Balance de masa:

    ffe + fce = fcs + ffs ffe = ffs = ff fce = fcs = fc Balance de energa:

    ff = ff (hffs - hffe) fc = fc (hfcs - hfce)

    Si el fluido es un lquido (o un gas no vapor-): h = c T (ver apartado para calor especfico del agua a distintas temperaturas)

    En el caso ideal (sin prdidas de energa), ff = fc

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    Calor especfico del agua a distintas temperaturas

    cp = cv = c

    Para pequeos intervalos de

    temperatura, un valor de c a la temperatura promedio se puede usar y tratar como una constante.

    u = cprom(T2 T1) Vlido para Slidos y lquidos

    h = u + v P = cprom(T2 T1) + v (P2 P1) (ya que v cte.)

    Slidos: el trmino v P es insignificante, por lo tanto h = u cprom T

    Lquidos: comnmente se encuentran dos casos especiales:

    1. Si P = cte., (calentador de agua: P 0): h = u cpromT

    2. Si T = cte., (bombas de agua, T 0): h = h2 h1 = vf P

    Bomba

    de agua

    Calentamiento de agua

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    Ejercicio 1: CONDENSADOR DE UNA PLANTA DE POTENCIA Al condensador de una central trmica entra vapor de agua a 0,1 bar con un titulo de 0,95 y el condensado

    sale a 0,1 bar y 45C. El agua de refrigeracin entra al condensador como una corriente separada a 20C y

    sale tambin como liquido a 35C sin cambio en la presin. El calor transferido al entorno del condensador y

    las variaciones de las energas cintica y potencial de las corrientes pueden despreciarse. Para una

    operacin en estado estacionario, determnese:

    (a) la relacin de caudales entre el agua de refrigeracin y el vapor condensante.

    (b) la velocidad de transferencia de energa desde el vapor condensante al agua de refrigeracin, en kJ por

    kg de vapor que pasa a travs del condensador.

    ff3 = ff4 = ff fc1 = fc2 = fc

    - eje = ( + 2

    2 + gz)s

    - ( + 2

    2 + gz)e

    fc h1 + ff h3 = fc h2 + ff h4

    Por lo cual:

    (a) ff

    fc =

    h2 h1h3 h4

    36,3 (h3 h4 = c (T3 T4))

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    La respuesta para el caso (b) viene dada por:

    fc = fc (h2 - h1) fc

    fc = h2 - h1 =188,45 - 2465,1 = -2276,7 kj/kg

    El signo negativo indica que la energa es transferida desde el vapor condensante al agua de

    refrigeracin.

    Ejercicio 2: REFRIGERACION DE LOS COMPONENTES DE UN COMPUTADOR Los componentes electrnicos de un computador se refrigeran mediante un flujo de aire que atraviesa un

    ventilador montado a la entrada del recinto electrnico. El aire entra en estado estacionario a 20C y 1 atm. Para

    el control del ruido, la velocidad del aire no puede superar la velocidad de 1,3 m/s. Por control de la temperatura,

    la temperatura del aire a la salida no puede superar los 32C. Los componentes electrnicos y el ventilador

    reciben, respectivamente, 80 W y 18 W .e potencia elctrica. Determnese el mnimo dimetro de entrada al

    ventilador, en cm, para el cual se cumplen los limites de la velocidad del aire a la entrada y de la temperatura del

    aire a la salida. (M&S pg. 173)

    Para obtener el dimetro de entrada puede usarse:

    =

    V: velocidad (V1=C1= 1,3 m/s) : densidad = 1/v A: rea transversal

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    Los trminos subrayados son despreciables (se considera que no hay

    intercambio de calor con el medio externo)

    Wvc representa la potencia elctrica total, suministrada a los componentes

    electrnicos y el ventilador:; esto es, - 98 W (negativo porque entra). As:

    (h2 h1 = c (T2 T1))

    Reemplazando en la expresin de flujo:

    (gas ideal. Pv =RT)

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    2.- Compresor Centrfugo con Interaccin Trmica

    Balance de masa:

    fe = fs = f

    Balance de energa:

    EP 0

    Ejercicio: Considere Aire a 100 kPa y 280 K que se

    comprime en rgimen estacionario hasta 600 kPa y

    400 K. El flujo msico del aire es 0.02 kg/s y ocurre

    una prdida de calor de 16 kJ/kg durante el proceso.

    Si se supone que los cambios de energa cintica y

    potencial son insignificantes, determine la entrada de

    potencia necesaria al compresor, en kW.

    Respuesta: - 2,74 KW

    Para gases h = cp T

    - eje = ( + 2

    2 )s - ( + 2

    2 )e

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    Compresores que pueden considerarse de flujo estacionario o estable:

    Compresor Centrfugo Compresor Axial

    Tipo Roots

    La excepcin a la regla son los compresores alternativos o de

    pistn, los cuales son sistemas cerrados que deben evaluarse

    de acuerdo a ello (como se ver ms adelante en este curso).

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    3.- Turbina de Vapor Ejercicio: Turbina de vapor con interaccin trmica.- Un flujo msico de 4600 kg/h entra a una turbina que opera

    en situacin estacionaria. La turbina desarrolla una potencia de 1000 kW. En la entrada, la presin es 60 bar, la

    temperatura 400C y la velocidad 10 m/s. A la salida la presin es 0,1 bar, el ttulo 0,9 (90%) y la velocidad 50

    m/s. Calclese la transferencia de calor entre la turbina y su entorno, en kW. (M&S pg. 164)

    Balance de masa:

    fe = fs = f

    Balance de energa:

    EP 0

    - eje = ( + 2

    2 )s - ( + 2

    2 )e

    Turbina de Flujo Axial

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    Se observa que la variacin de energa cintica es pequea respecto de la variacin de entalpa (1,2/831,8). De igual modo la prdida de calor al entorno (ciertamente de signo negativo) es baja comparada con la potencia desarrollada (61,3/1000)

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    4.- Toberas y Difusores Una tobera es un conducto de seccin variable en el que la velocidad del gas o liquido aumenta en la direccin

    del flujo. En un difusor el gas o liquido se desacelera en la direccin del flujo. Las toberas y difusores para

    flujos de gas a elevada velocidad tambin pueden estar constituidas por una seccin convergente seguida de

    otra divergente

    1

    1

    2 2 V2 > V1

    V2 < V1

    Ejercicio: A una tobera que funciona en estado estacionario entra vapor de agua con p1 = 40 bar, T1 = 400C,

    y una velocidad de 10 m/s. El vapor fluye a travs de la tobera con una transferencia de calor despreciable y

    con un cambio insignificante de su energa potencial. A la salida, p2 = 15 bar y la velocidad es de 665 m/s. El

    flujo msico es de 2 kg/s. Determnese el rea de la seccin de salida de la tobera, en m2.

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    rea de la seccin de salida (y de entrada) puede obtenerse de: = (V = C = Velocidad) Ley de Conservacin de la Energa:

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    EFICIENCIA EN LA CONVERSIN DE ENERGA

    Eficiencia (o Rendimiento) es uno de los trminos ms usados en la

    ingeniera trmica e indica qu tan bien se realiza un proceso de conversin o

    transferencia de energa.

    La eficiencia se expresa en trminos de la energa o potencia disponible para

    usar (que podemos llamar salida til), respecto de la energa o potencia que se

    debe suministrar al equipo o sistema para obtener esa salida til. Esto es:

    Salida til (Energa o Potencia)

    Eficiencia = Rendimiento =

    Energa (o Potencia) suministrada

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    La eficiencia en la conversin de energa para un calentador o estufa a base de gas

    es mucho menor que la de un calentador o estufa elctrica.

    La eficiencia de un equipo que quema combustible se basa en el Poder

    Calorfico del combustible (PC), el cual, en trminos prcticos, es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una unidad de combustible y los

    productos de la combustin se enfran a la temperatura ambiente.

    Temperatura ambiente

    Entonces el rendimiento del equipo

    de combustin se puede caracterizar

    por la eficiencia de combustin, la

    cual se define como:

    Cantidad de calor liberado durante la combustin

    combustin = Poder calorfico del combustible quemado

    CAMARA DE COMBUSTION

    COMBUSTIBLE

    PERDIDAS

    De Calor Una eficiencia de combustin de 100

    por ciento indica que el combustible

    se quema completamente y los gases

    residuales salen de la cmara de

    combustin a temperatura ambiente;

    en consecuencia, la cantidad de calor

    liberada durante un proceso de

    combustin sera igual al poder

    calorfico del combustible.

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    Ciertamente el calor liberado durante la combustin es generalizadamente menor que el

    poder calorfico por lo que la eficiencia de combustin ser siempre menor del 100%.

    EL valor final de la eficiencia de combustin depender de una serie de factores entre

    los cuales se tienen: la tecnologa usada, calidad del combustible, cantidad de aire

    usada para la combustin, velocidades de alimentacin de aire y combustible,

    temperaturas de reactivos, etc. Etc.

    El calor liberado, o calor til, es habitualmente obtenido en la prctica en funcin de las

    prdidas que se presentan en el equipo de combustin, de manera tal que:

    Esta forma, expresada en trminos de las prdidas se conoce como el mtodo

    indirecto en el clculo de la eficiencia de combustin (el mtodo directo debe

    considerar el clculo del calor til en forma directa).

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    Eficiencia en la conversin de energa mecnica en elctrica.-

    La transferencia de energa mecnica normalmente se lleva a cabo mediante

    Un eje rotatorio; de ah que el trabajo mecnico se denomine trabajo de eje o trabajo

    en el eje.

    Un compresor, una bomba o un ventilador reciben trabajo en el eje,

    comnmente de un motor elctrico, y lo transfieren al fluido.

    Por otro lado, una turbina genera trabajo en el eje por la accin de un fluido y lo

    trasfiere, a un generador elctrico para que ste genere a su vez energas elctrica.

    Motor elctrico

    bomba

    eje,salida motor elec =

    elec,entrada

    elec,salida generador elec =

    eje,entrada

    isoentrpica bomba =

    real,entrada

    real,salida turbina =

    isoentrpica

    Eje

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    la eficiencia combinada o global de las combinaciones entre bomba-motor y turbina-

    generador es:

    bomba-motor = bombamotor turbina-generador = turbinagenerador

    Ejemplos: bomba = 80% ; motor = 95% => bomba-motor = 0,8*0,95 = 0,76 turbina = 0,75% ; generado = 0,97% => turbina-generador = turbinagenerador = 0,75*0,97=0,73

    El uso de motores de alta eficiencia => Eficiencia Energtica

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    La eficiencia trmica global de una central termo-elctrica de vapor (ciclo Rankine),

    o rendimiento de planta, puede representarse por:

    Puede demostrarlo?

    vapor

    combustible* PC

    eje,salida

    vapor

    planta = combustin trmica generador = elec,salida / combustible* PC

    combustin = caldera =

    trmico = ciclo =

    elec,salida generadoror elec =

    eje,entrada

    ( eje,entrada = eje,salida )

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    EJEMPLO Ciclo Rankine ideal simple 1.- Considere una central elctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a

    la turbina a 3 MPa y 350 C y es condensado en el condensador a una presin de 75 kPa. Determine la eficiencia

    trmica de este ciclo y el trabajo neto.

    o tambin, Obsrvese que la eficiencia es muy baja (26 %), ello porque es un ciclo simple de baja presin. las centrales de vapor pueden alcanzar eficiencias > 40 %. (Cualquier punto de aumento superior es relevante)

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    2.- Si para el ciclo anterior, el flujo msico de vapor que sale de la caldera es de 10 Kg/s, el rendimiento de la

    turbina es 88 %, de la bomba 86 %, y el del generador es de 97 %, obtenga la potencia elctrica que entrega

    el generador elctrico.

    real,salida turbina =

    isoentrpico

    isoentrpico bomba = real,entrada

    isoentrpica turbina = vapor (h3 h4) = 10 Kg/s * 713,1 kJ/kg = 7131 KW

    real,salida turbina = turbina isoentrpico turbina = 0,88 * 7131 KW = 6.275,28 KW

    isoentrpica bomba = agua vf (P2 P1) = 10 kg/s * 3,03 kJ/kg = 30,3 KW

    real,entrada bomba = bomba isoentrpica bomba = 0,86 * 30,3 KW = 26,058 KW

    neta = real,salida turbina - real,entrada bomba = 6275,28 KW - 26,058 KW = 6.249,2 KW 6,25 MW

    elec,salida generador elec = eje,entrada

    elec,salida generador = generador elec * eje,entrada = 0,97 * 6.249,2 KW = 6.061,724 kW 6,06 MW

    Observe la relacin: bomba / turbina = 26,058 kW/ 6.275,28 kW = 0,00415 0,415 %. Se aprecia que es una relacin muy pequea, lo cual indica que la energa requerida para mover la bomba de agua es bastante baja en comparacin a la generada por la turbina. Esta relacin (ya sea con valores reales o ideales) es llamada Trabajo de Retroceso.

    Esquema para el ciclo simple anterior

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    3.- Como parte final del ejercicio, considere que la eficiencia de combustin (de la caldera por supuesto) es de

    80 % siendo el combustible usado petrleo diesel A1 (de bajo contenido de azufre 15 ppm). Cuyo poder calorfico es de 42.700 kJ/kg. Obtenga la cantidad de combustible usado y la eficiencia de la central

    termoelctrica.

    combustin = caldera = vapor

    combustible* PC

    vapor = v (h3 - h2) = 10 kg/s * (3116,1 - 387,04) kJ/kg = 27.290,6 KW

    h2 = wreal,entrada bomba + h1 = 2,6 kJ/kg + 384,44 = 387,04 kJ/kg

    combustible = vapor / (caldera * PC) = 27.290,6 (kJ/s) / 0.8*42.700 (kJ/kg) = 0,799 (kg/s)

    planta = combustin trmica generador = elec,salida / combustible* PC

    central = 6.061,724 kW / (0,799 (kg/s)*42.700 (kJ/kg)) = 0,17767 17, 7 %

    Calculado en trminos del producto de las eficiencias:

    trmica = neta / vapor = 6.249,2 kW / 27.290,6 kW = 0,22898 22,9 %

    planta = 0,8 * 0,229 * 0,97 = 0, 177 = 17,7 %

    La eficiencia trmica real de la planta (22,9%) es ciertamente menor que la eficiencia terica (26%).