TEMA8 Trabajo Potencia General Ida Des
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Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 8. TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
PROCESOS INDUSTRIALES
CALOR TRABAJO Y POTENCIA
PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN
GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
ANÁLISIS PROCESOS
OBJETIVOS1. Conocer las principales formas
de generación y consumo de energía mecánica y eléctrica en la Industria Química
2. Analizar con detalle los fundamentos de los procesos de compresión y expansión y sus formas de cálculo
3. Comprender los fundamentos de las máquinas térmicasutilizadas en los ciclos de producción de trabajo
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química
• COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN
• Compresores
• Eyectores
• Cálculo de compresiones y expansiones
• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO
• Máquinas térmicas
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: N: TrabajoTrabajo y y potenciapotencia en la en la IndustriaIndustria QuQuíímicamica
• COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN
• Compresores
• Eyectores
• Cálculo de compresiones y expansiones
• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO
• Máquinas térmicas
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Introducción
• INDUSTRIA QUÍMICA:
• Trabajo ←→ Compresión y expansión. (No se tratan motores eléctricos)
• Consumo:
• Compresión:(más importante)
• Transporte y flujo
• Acondicionamiento de corrientes
• Dispositivos neumáticos e hidráulicos
• Agitación (motores eléctricos)
• Transporte de sólidos (motores eléctricos)
• Molienda (motores eléctricos)
• Producción:
• Ciclos de potencia.
• Cogeneración:
• Turbinas de vapor.
• Turbinas de gas y motores de combustión interna (MCI).
• EN LA INDUSTRIA:
• Generación de energía eléctrica:
• Ciclos de potencia (Turbinas de vapor, turbinas de gas y MCI).
• MCI
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química
• COMPRESICOMPRESIÓÓN Y EXPANSIN Y EXPANSIÓÓNN
• CompresoresCompresores y y turbinasturbinas
• Eyectores
• Cálculo de compresiones y expansiones
• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO
• Máquinas térmicas
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresores y turbinas
TURBINAS
• Dispositivos que accionan los
generadores eléctricos en centrales de
energía de vapor, gas o
hidroeléctricas
• Cuando el fluido pasa por la turbina
ejerce trabajo sobre los álabes que
están unidos al eje. En consecuencia
el eje gira y la turbina produce w
• El trabajo efectuado en una turbina es
positivo (salida w)
• Producen energía
• Eficacias isoentrópicas>90% turbinas
grandes bien diseñadas; turbinas
pequeñas 70-90%
COMPRESORES
• Los compresores aumentan la
presión de un fluido
• El trabajo es suministrado por
una fuente externa mediante
un eje giratorio
• El trabajo de entrada al
sistema es negativo
• Consumen energía
• Eficacias isoentrópicas 75-85%
• TQ despreciable (q=0) en
turbinas (bien aisladas) y
compresores (sin
enfriamiento)
ΔEcin, ΔEpot ≈ 0w = ΔH
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresión
• COMPRESORES (<3%ΔP → ventiladores)
• Rotativos (Continuous-flow compressors)
• Flujo axial
• Centrífugos (flujo radial)
• Desplazamiento positivo (Positive displacement compressors)
• Alternativos
• Rotatorios
• Eyectores
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresores rotativos
COMPRESORES ROTATIVOS DE
FLUJO AXIAL
• Funcionamiento inverso al de una
turbina
• El movimiento de los álabes crea
un gradiente de P de dirección
axial
• La Ecin se transforma en Epresión
• Los álabes fijos detienen el fluido
• Se emplean para flujos
importantes de Pdescarga no muy
elevada (30-80 psia)
• Relación de compresión 1.2-1.5
por etapa y 5-6.5 por compresor
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresores rotativos
COMPRESORES ROTATIVOS
CENTRÍFUGOS (flujo radial)
• El fluido aumenta su Ecin a medida que
recorre el álabe y se amplia el camino
de flujo para transformar la Ecin en
Epresión
• La aleta del difusor es la que detiene al
fluido
• Trabajan con una Pmax de salida de
3000-5000 psia
• Relación de compresión 3-4.5 por
etapa y 8-12 por compresor
• No cierres, mejor mantenimiento y
menos rozamientos
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresores desplazamiento positivo
COMPRESORES DESPLAZAMIENTO POSITIVO ALTERNATIVO
• Es el más empleado
• Actúan reduciendo el volumen ocupado por el gas
• Dotados de válvulas de admisión y salida, y el pistón
• El problema son los cierres mecánicos (lubricación)
• 1ª cámara, COMPRESIÓN ⇒ CAMBIADOR (enfriamiento) ⇒ 2ª
cámara, COMPRESIÓN
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Compresores desplazamiento positivo
COMPRESORES DESPLAZAMIENTO
POSITIVO ROTATORIO
• Crean una cámara de admisión
que reduce el V en el proceso
• Tornillo sin fin
• Se emplean para flujos bajos y
altas presiones 35000-50000
psia
• Relación de compresión 4-10
por etapa y tantas etapas como
se deseen (n), siempre que se
refrigere entre ellas
• Pueden trabajar a vacío (hasta
2 psia) invirtiendo el sentido
LÓBULOS
HUSILLO
PISTÓN
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química
• COMPRESICOMPRESIÓÓN Y EXPANSIN Y EXPANSIÓÓNN
• Compresores
• EyectoresEyectores
• Cálculo de compresiones y expansiones
• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO
• Máquinas térmicas
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Eyectores
• Compresión de un vapor/gas utilizando la expansión de otro
• Consumen vapor vivo (normalmente 30-35 bar)
• No tienen piezas móviles
• Mezclan vapor vivo con el fluido de proceso
• Grandes caudales, bajas presiones (pero...)
• La tobera tiene unos márgenes estrechos de operación
• Pueden utilizarse en serie (vacío: 2 etapas → 10 mmHg; 5 etapas →
0.05 mmHg).
• Utilización prioritaria en vacío
• Fuera de características → baja eficacia: varios en paralelo, regulación
todo/nada
• Para economizar vapor se condensa entre las etapas (reduce el
consumo de vapor de alta)
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Eyectores
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Eyectores
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química
• COMPRESICOMPRESIÓÓN Y EXPANSIN Y EXPANSIÓÓNN
• Compresores
• Eyectores
• CCáálculolculo de de compresionescompresiones y y expansionesexpansiones
• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO
• Máquinas térmicas
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Cálculos de compresión en gases
PROCESOS DE COMPRESIÓN CASOS EXTREMOS:
1-PROCESO ISOTERMO (PV = cte) (el sistema va cediento calor para
mantener T = cte y consumiendo la menor cantidad de w posible)
2-PROCESO ISOENTRÓPICO (PVγ = cte; γ = Cp/Cv) (adiabático y
reversible)
El proceso de compresión real se aproxima al adiabático (no isoentrópico -
> irreversibilidades). Opción: Proceso politrópico:
*PROCESO POLITRÓPICO (PVn = cte; 1<n<γ) (incluye un poco de
enfriamiento)
nn
nn
u
PPTT
PPRT
nnw
1
1
212
1
1
21 1
1
−
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
10
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
• GAS IDEAL, PROCESOS REVERSIBLES
• Isotermos:
• Adiabáticos reversibles (isoentrópicos):
• GAS IDEAL, PROCESOS IRREVERSIBLES
Cálculos de compresión en gases
21
1
22 1
1
1 , 0.4 ( .)
.2857 ( .)
p
p
R C
u p
R C
Pw CpT R C monoatP
PT T diatP
⎧ ⎡ ⎤⎛ ⎞⎪ ⎢ ⎥= − =⎜ ⎟⎪ ⎢ ⎥⎝ ⎠⎪ ⎣ ⎦⎨⎪ ⎛ ⎞
= =⎪ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩
( )2 1lnuw RT P P=
1 2 22 1
1 1
11 , 1 1p pR C R C
us s
CpT P Pw T TP Pη η
⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= − = + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
• GAS REALES, PROCESOS IRREVERSIBLES
Cálculos de compresión en gases
1) Cálculo de la T2 isoentrópica:
• Cálculo de la entalpía isoentrópica:
• Cálculo de la entalpía real:
2
1
21 2 2
1
( )ln 0ST p
ST
C T PS dT R S S TT P
′ ′Δ = − + Δ − Δ = →∫
S
s
HHηΔ
Δ =
'')( s
T
Tps HHdTTCH
s
21
2
1
Δ−Δ+=Δ ∫
ideal
)()(,,
22
22 221TT
HHs
s
s
cteS sη=
→→
Mezclas: EoS + reglas de mezcla + Diagramas termodinámicos
H
P
1
22s
P1
P2
μs
S = cte
H2s H2
11
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Cálculos de compresión en gases
• En general la compresión ISOTÉRMICA requiere menos trabajo que la ISOENTRÓPICA
WuISOT < Wu
ADIAB
• En la ISOENTRÓPICA al no retirar q, la T de salida es mayor
• DIAGRAMA T-SEl proceso de compresión real me desvío de la idealidad hacia la derecha (T mayor)Parte de la E se degrada y aumenta la T (q=0)T2 isoentrópica es la menor que se puede lograr
• DIAGRAMA P-VEl proceso de compresión real me desvío de la idealidad hacia la derecha (T mayor)
V
P
P2
P1
ISOT
ADIAB
T1
T2
S
T S = cte
T = cte
P1
real
P2
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Eficacia isoentrópica del compresor
• Los compresores no son ideales• Los procesos de compresión reales se
aproximan al caso ADIABÁTICO (no isoentrópico)
• Se producen una serie de irreversibilidades (rozamientos mecánicos)
• Necesario definar la EFICACIA (isoentrópica) (medida de la desviación del proceso de la idealidad)
real
CpR
p
real
uS
sS
w
PPTC
ww
hhhh
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
==η
−−
=η
11
21
21
21 EFICACIA ISOENTRÓPICA (COMPRESOR)
Relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la P de un gas a un valor específico de una manera isoentrópica (wu) y el trabajo de entrada real (wreal)
DIAGRAMA DE MOLLIER
S
H
2
2s
1
P2
P1
12
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
• Compresión por etapas múltiples con enfriamiento intermediose emplea para minimizar el trabajo de compresión (acercando el proceso de compresión al isotérmico)
• Es un proceso atractivo cuando un gas se va a comprimir a presiones muy elevadas
• En cada etapa se vuelve a la temperatura inicial
• “Para minimizar el trabajo de compresión en dos etapas , la relación de presiones a través de cada etapa del compresor debe ser la misma
Compresión con refrigeración entre etapas
x
x
PP
PP 2
1
=
El tamaño del área sombreada depende de Px⇒ Minimizar el wcompresión
El nº etapas debe reducirse en lo posible pq la η aumenta cuando la relación de compresión aumenta. Más etapas ⇒ Más irreversibilidades
DOS ETAPAS
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Expansión
• EXPANSIONES EN LA INDUSTRIA QUÍMICA
• Acondicionamiento de corrientes
• Producción de trabajo: aprovechando la E de presión de un gas o
vapor
• Para enfriar (al expandirse toma E de su U y reduce su T)
Se lleva a cabo entre dos EXTREMOS
LIMITANTES:
PROCESO ISOTERMO (el sistema va recibiendo
calor y Produciendo la mayor cantidad de w
posible)
PROCESO ISOENTRÓPICO (adiabático y
reversible)
*EXPANSIÓN DE JOULE THOMSON (Estrangulación
adiabática, isoentálpica ideal sin produccción de w)S
H
1
22
P2
P1
ISOT
ISOH
ISOS
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Eficacia isoentrópica de turbinas
• Las turbinas no son ideales• Los procesos de expansión reales se
aproximan al caso ISOENTRÓPICO (no isotérmico)
• Se producen una serie de irreversibilidades (rozamientos mecánicos, pérdidas calor ambiente...) en los que se pierde energía en aumentar la S
• Necesario definar la EFICACIA INDICADA (isoentrópica) (mediada de la desviación del proceso de la idealidad)
u
real
SS w
whhhh
=−−
=η21
21
EFICACIA ISOENTRÓPICA (TURBINA)
Relación entre el trabajo real de la turbina (wreal) y la salida de trabajo que hubiese alcanzado si el proceso fuese isoentrópico (wu)
DIAGRAMA DE MOLLIER
S
H 1
22s
P2
P1
real
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
• ESTRANGULAMIENTO: Cuando un fluido pasa por una restricción (ej. válvula) disminuye su presión, su entalpía permanece aproximadamente constante y suele reducir su T (no siempre, puede aumentar, disminuir o permanecer constante)
• El comportamiento de la T de un fluido durante un proceso de estrangulamiento (h=cte) lo describe el coeficiente de Joule-Thomson
• Representa la pendiente de las líneas H = cteen un diagrama T-P
Expansión de Joule-Thomson
⎪⎩
⎪⎨
⎧
>=<
μ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=μ
disminuyeTcteTaumentaT
PT
H
000
Empiricamente o mediante EoS
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Expansión de Joule-Thomson
• Las líneas que pasan por puntos de pendiente nula (μ= 0) son las LINEAS DE INVERSIÓN
• La temperatura en los puntos donde la línea de entalpía constante corta a las líneas de inversión es la TEMPERATURA DE INVERSIÓN
• TEMPERATURA MÁXIMA DE INVERSIÓN: Intersección entre P = 0 y la parte superior de la línea de inversión
• La T de un fluido aumentará durante un proceso de estrangulamiento a la derecha de la línea de inversión
• La T de un fluido disminuirá durante un proceso de estrangulamiento a la izquierda de la línea de inversión
• Para que T disminuya durante un estrangulamiento necesario que el fluido se encuentre por debajo de la Tmax de inversión
0
1
=
μ=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
−−⇒⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
−+=
dH
PT
TVTV
CdP
TVTVdTCdH
HPpPp
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES
• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química
• COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN
• Compresores
• Eyectores
• Cálculo de compresiones y expansiones
• CICLOS DE PRODUCCICICLOS DE PRODUCCIÓÓN DE TRABAJON DE TRABAJO
•• MMááquinasquinas ttéérmicasrmicas
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Ciclos de producción de trabajo
MÁQUINAS TÉRMICAS
Dispositivos especiales que convierten el calor en trabajo
CARACTERÍSTICAS GENERALES
1- Reciben q de una fuente de alta T (Esolar, hornos, reactores
nucleares...)
2- Convierten parte de ese q en w (normalmente en la forma de
un eje en rotación)
3- Liberan el q de desecho remanente en un sumidero de baja
temperatura (la atmósfera, ríos...)
4- Funcionan en un ciclo
El fluido al y desde el que se transfiere el calor cuando se
somete al ciclo se le denomina fluido de trabajo
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Ciclos de producción de trabajo
• MÁQUINAS TÉRMICAS
• Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas: utilizan un
fluido secundario en la expansión (vapor) y generan
electricidad
Son máquinas de combustión externa. La Etérmica liberada
durante el proceso se transfiere al vapor como calor
• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de
combustión en la expansión
Son dispositivos que producen trabajo y que no operan en
un ciclo termodinámico
• Sistemas combinados
TEMA 9
TEMA 10
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TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
Problema
TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. conocer las fuentes más habituales de consumo y producción de trabajo en la Industria Química
2. calcular procesos de compresión de gases ideales y reales en condiciones isotérmicas, isoentrópicas y politrópicas, eficacia isoentrópica de compresores y compresión multietapa con refrigeración intermedia
3. calcular procesos de expansión reversibles e irreversibles de gases y vapores, eficacia indicada para turbinas y coeficiente de expansión de Joule-Thompson
4. conocer los tipos y fundamentos de las máquinas térmicasempleadas en los ciclos de producción de trabajo
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Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 8. TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES