UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS

CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

TERMODINAMICA APLICADA

INTEGRANTES:

Alvarez Roberto

Arias Gabriel

De la Torre Luis

García Martha

Pavón Renato

NIVEL: 4TO “A” CIME

1.- TEMA:

TURBINA DE VAPOR

2.- OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

El objetivo principal de este proyecto es la construcción de una máquina capaz de transformar la fusión de agua, aire y calor para generar el movimiento de vapor.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Aplicar nuestros conocimientos en la construcción y utilización de maquinas térmicas.

Hacer uso de los principios y fundamentos termodinámicos.

Investigar los principales aspectos que intervienen en la generación y transformación de energía térmica.

3.- JUSTIFICACION Y ANTECESDENTES

Optamos para la realización de este proyecto puesto que es viable su construcción, además en él se puede aplicar los principios y leyes termodinámicos.

4.- MARCO TEORICO

MÁQUINA TÉRMICA

Diagrama de una máquina térmica motora.

Las máquinas térmicas son máquinas de fluido compresible:

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.

Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Ejemplos de máquinas con motores térmicos

Aviones Autos Barcos Trenes y locomotoras o camionetas cualquiera que lleve un motor de turbina, combustión interna, o que su

fuente sea producida por calor.

SUSTANCIA PURA

Es una sustancia que tiene una composición química fija; es decir que también puede ser una mezcla de varias sustancias o elementos químicos media vez la composición no varíe o sea que sea una mezcla totalmente homogénea. O sea que puede ser aire, combustible búnker, etc., pero no puede ser una mezcla de aceite y agua ya que estos se separan y no forma una mezcla homogénea.Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura sigue siendo una sustancia pura, siempre que la composición de las fases sea la misma, como agua en su fase de vapor y líquida o mezcla de hielo y agua líquida, pero aire en su fase de vapor y líquido no es una sustancia pura ya que tienen diferentes composiciones ya que se condensa solamente el vapor de agua, esto es debido a que los componentes del aire tienen diferentes puntos de condensación.

FASES DE UNA SUSTANCIA

Las sustancias existen en diferentes fases, a temperatura y presión ambiente el cobre, hierro, plástico, oro es sólido, el aire, el nitrógeno es gaseoso, el agua, el mercurio es líquido.

Una fase se identifica como un arreglo molecular distinto, homogéneo en su totalidad y separado de las demás fases por medio de superficies identificables.

Por ejemplo el agua y el hielo, estas son fácilmente identificables.

A nivel molecular, los enlaces moleculares del estado sólido son más fuertes que el estado líquido y este que el estado gaseoso.

En las moléculas del sólido existen pequeñas distancias intermoleculares, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen fijas dentro del sólido.

En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden molecular. Las moléculas del gas se mueven al azar, en continuo choque entre sí y con las paredes del recipiente que las contienen. Las fuerzas moleculares son muy pequeñas, en particular en bajas densidades, y las colisiones son la única interacción entre las moléculas.

Una sustancia pura puede existir en diferentes fases dependiendo del proceso, por ejemplo en la caldera existe agua líquida y vapor; un refrigerante en un condensador evaporativo existe inicialmente como vapor, luego como líquido. Líquido sub-enfriado y líquido saturadoEl agua adentro de un cilindro-pistón a 20ºC y 1 atm. Existe como líquido sub-enfriado o líquido comprimido, lo que significa que no está a punto de evaporarse. Al transferir calor a este VC (volumen de control) el agua aumenta por ejemplo a 20ºC por lo cual el agua líquida tendrá cierta expansión aumentando su volumen específico y el embolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión del cilindro permanece constante en 1

atm. En este caso el agua sigue siendo líquido comprimido, pues no ha empezado a evaporarse. Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumentará hasta 100ºC. En este punto el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no temperatura) causará algo de evaporación en el líquido. Este líquido que está a punto de evaporarse se le llama líquido saturado. Vapor saturado y vapor sobrecalentado

En el VC anterior, al iniciarse la ebullición, la temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapora completamente; media vez la presión se mantenga constante. Si en este punto se pierde calor al exterior, se inicia una leve condensación del vapor. Un vapor a punto de condensarse se le llama vapor saturado.

Media vez el proceso de evaporación se alcanza completamente existe una sola fase de vapor y al llegar a este punto, una adición de calor ocasionará un aumento de temperatura y del volumen específico. Si la temperatura la llevamos hasta 332 ºC y si transferimos calor a los alrededores o se pierde calor, la temperatura descenderá pero no necesariamente ocurrirá condensación; únicamente hasta que la temperatura baje a 100ºC a 1 atm. De presión. Un vapor que no está a punto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado.  El proceso de cambio de fase a presión constante se representa en el siguiente diagrama T-v. 

 

Temperatura de saturación y presión de saturaciónEl término “el agua empieza a hervir a 100ºC”; es incorrecto; pues el agua hierve a 100ºC a 1 atmósfera de presión. El agua en el VC anterior si inició el proceso de evaporación a 100ºC; pero debido a que el émbolo mantuvo una presión constante de 1 atmósfera. Si la presión en el émbolo se elevara a 500 KPa, el agua empezaría a hervir a 151.9ºC. La temperatura a la cual el agua empieza a hervir depende de la presión. A cierta presión, la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama temperatura de saturación, Tsat. A cierta temperatura, la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama presión de saturación, Psat. Las tablas de presión de saturación que muestran la presión de saturación a varias temperaturas o temperatura de saturación contra la presión se encuentran disponibles para cualquier sustancia pura y se denomina curva de saturación de líquido-vapor.  El comportamiento de una sustancia pura respecto a sus diferentes fases – sólido-líquido-gaseoso – se representa en los diagramas de equilibrio P-T. Los principios básicos presentados en los procesos de cambio de fase líquido-vapor se aplican del mismo modo a los procesos de cambio de fase sólido-líquido-vapor.

EvaporaciónSi se calienta un líquido se incrementa la energía cinética media de sus moléculas. Las moléculas cuya energía cinética es más elevada y que están cerca de la superficie del líquido escaparán y darán lugar a la fase de vapor.Si el líquido está contenido en un recipiente cerrado, algunas moléculas del vapor seguirán el camino inverso chocando con la superficie del líquido e incorporándose a la fase líquida.Se establece un equilibrio dinámico cuando el número de moléculas que se escapan del líquido sea igual (en valor medio) al número de moléculas que se incorporan al mismo. Decimos entonces, que tenemos vapor saturado a la temperatura T, y la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor a esta temperatura se denomina presión de vapor Pv.

La presión de vapor de una sustancia depende solamente de la temperatura y no del volumen; esto es, un recipiente que contiene líquido y vapor en equilibrio a una temperatura fija, la presión es independiente de las cantidades relativas de líquido y de vapor presentes.  La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor es igual a la presión exterior. La presión de vapor del agua es igual a 1 atmósfera a la temperatura de 100ºC. Los sistemas físicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un agregado de un número muy grande de átomos.La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas: En los sólidos, las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas. En los líquidos las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos.

El gas contenido en un recipiente, está formado por un número muy grande de moléculas, 6.02·1023 moléculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta describir un sistema con un número tan grande de partículas resulta inútil (e imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que mediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una masa de gas, presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su temperatura. Estas cantidades físicas se denominan macroscópicas, en el sentido de que no se refieren al movimiento individual de cada partícula, sino del sistema en su conjunto.

FASES TERMODINÁMICAS DEL AGUA 

Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a Q = mDh; donde Dh se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Si no existe cambio de fase en el calentamiento o enfriamiento, la energía cedida o absorbida se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación: Q = mCpDT; donde Cp

es el calor específico a presión constante.

Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·103 J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2,260·103 J/kg.

 Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:

En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.

Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.

Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.

  DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS

 Diagrama presión-temperatura Se le conoce también como diagrama de fases; ya que determina bajo que condiciones prevalece cada una de las fases [líquida, sólida y vapor]. Para definir el estado de un gas o vapor se debe definir únicamente dos propiedades intensivas independientes [presión y temperatura, presión y calidad, temperatura y calidad, entalpía y calidad, entalpía y entropía, etc.].

En el diagrama de fases se puede observar el punto triple, que es aquel en el cual puede coexistir los tres estados en equilibrio [sólido, líquido y vapor].Se muestra también el punto o estado crítico, que es aquel en el cual arriba de él es imposible una transformación de fase

La curva que separa la fase líquida de la fase vapor recibe el nombre de curva de evaporación. Esta curva tiene como extremo superior el punto crítico; se le llama también curva del punto de ebullición. La pendiente de la curva de evaporación es positiva para cualquier sustancia pura compresible, lo que significa que la temperatura a la cual el líquido alcanza la ebullición aumenta al incrementarse la presión.

La curva que separa la fase sólida de la líquida recibe el nom,bre de curva de fusión o curva de congelación; constituye el comportamiento: sólido-líquido. La pendiente de esta curva en el caso de una sustancia que se contrae durante la congelación es positiva. El agua se expande durante la congelación o sea que la pendiente de la curva es negativa, lo que significa que el punto de fusión del hielo disminuye conforme aumenta la presión.

La curva que separa la fase sólida de la fase gaseosa se llama curva de sublimación y constituye la proyección de la región sólido-vapor. La pendiente de esta curva es positiva para todas las sustancias simples compresibles. Un sólido se puede sublimar [cambio de estado gaseoso a vapor] solo cuando se encuentra a una presión y temperatura menores que la correspondiente al punto triple.

Diagrama de Cox:Una sustancia pura compresible en equilibrio, se define su estado conociendo únicamente una variable intensiva independiente; esta puede ser la presión o temperatura; a continuación se presenta el diagrama p-T Diagrama de Cox que relaciona la presión de vapor con la temperatura. La presión de vapor Presión de equilibrio, para cualquier sustancia pura compresible puede determinar también mediante la ecuación de Antoine. A continuación se presenta el diagrama p-T correspondiente al vapor de agua:

La figura siguiente representa esquema de superficies p-v-T para sustancias simples compresibles:

Diagrama temperatura-volumen específicoLa gráfica siguiente corresponde a un diagrama T-v donde se muestra la curva de saturación y las isóbaras. Al agregar calor a presión constante se convierte la sustancia de líquido saturado a vapor saturado a temperatura constante Por ser un proceso de equilibrio: presión y temperatura constante.

Si la sustancia es un líquido subenfriado se observa que las isóbaras son muy cercanas entre si, ante todo que en la realidad las isobaras del lado del líquido subenfriado son más cercanas; por esta razón un estado de líquido comprimido se puede aproximar a un estado de líquido saturado a la misma temperatura.

Debido a que la evaporación a presión constante se efectúa también a temperatura constante; exíste cambio de volumen debido a la formación de la fase vapor. Si la sustancia [sistema], inicia el proceso de evaporación, la mayor parte es líquido y una pequeña porción es vapor; obteniéndose en ese punto del sistema un vapor con vaja calidad [x = calidad, lb vapor/lb totales], si nuestro sistema se encuentra cerca de la curva de vapor saturado, se tendrá una porción bastante grande de vapor en relación al líquido existente en ese punto [Tratándose de un vapor de alta calidad; lb vapor/lb totales]. Al llegar el sistema a la curva de vapor saturado, este corresponde a un vapor con calidad 1 [1 lb vapor/1 lb total] o calidad del 100% o sea únicamente vapor [Vapor seco].

En el punto crítico, los volúmenes específicos adquieren el mismo valor. Se puede observar en el diagrama T-v que el cambio de volumen a temperatura constante, debido a un cambio de presión, es mayor para un vapor que para un líquido; esto se debe a que el vapor es mucho más compresible que el líquido.

  

Diagrama de presión-volumen especifico

La gráfica siguiente corresponde a un diagrama p-v. En la región de equilibrio líquido-vapor que en la evaporación inicia como líquido saturado y termina como vapor saturado se realiza a presión y temperatura constante e incremento en el volumen específico; obteniéndose en la trayectoria de líquido saturado a vapor saturado; un sistema con una calidad determinada desde cero hasta uno o 100%. El comportamiento de este diagrama es similar al del diagrama anterior.

Diagrama temperatura-entropíaEn la gráfica siguiente se muestra el diagrama T-s con la curva de saturación e isobáricas.

En este diagrama también se especifican las líneas de entalpía constante el cual es sumamente util en análisis de procesos termodinámicos.

A continuación se presenta el diagrama T-s correspondiente al agua:

Este diagrama es muy importante para el análisis de procesos termodinámicos como son los ciclos de potencia y comportamiento termodinámico en turbinas de vapor.

A continuación se presenta el diagrama de Molliere para el agua

Diagrama presión-entalpía Diagrama de Molliere para el agua

TURBINAS DE VAPOR

Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:

Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina.

Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico.

Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del

condensador.

Componentes básicos de una central termoeléctrica

 

En termodinámica se conoce como ciclo Rankine ideal, el empleado en las centrales termoeléctricas, el cual se describe brevemente a continuación:

El vapor que sale de la caldera (estado 1), es recalentado, a una presión relativamente alta, éste es conducido a través de una tubería hasta la turbina donde recibe el vapor y produce una expansión isentrópica, permitiendo de esta forma mover su rotor y así producir el trabajo (Wt) necesario para mover el generador, el vapor sale de la turbina (estado 2), generalmente vapor húmeda a presión baja; pasa el condensador donde se transforma en liquido saturado (estado 3), en un proceso de extracción de calor (QR ) que se realiza a presión constante; allí el agua es tomada por la bomba y con un trabajo de bombeo (Wp) se aumenta la presión , en un proceso de compresión isentrópica hasta el estado liquido subenfriado (estado 4), donde se alcanza la presión de trabajo de la caldera; en esta se adiciona calor (QA ) transformando el liquido en vapor recalentado a través de un proceso a presión constante, obteniéndose nuevamente el vapor necesario para alimentar la turbina (estado 1).

 

Ciclo Rankine en el diagrama Temperatura-Entropía

En algunos ciclos se acostumbra extraer vapor de la turbina en partes

intermedias, para recalentarlo y volverle a permitir que se expanda hasta

la presión final, éste proceso se llama ciclo Rankine con

recalentamiento, el cual permite obtener un mayor trabajo de la turbina.  

5.-ESQUEMA

6.- MATERIALES

- Tubería de Cobre

- Recipiente para el agua (lata de cerveza)

- Una roseta de vientos (puede ser hecha de una lata de cerveza)

-Diesel

-Un trozo de tela para hacer la mecha

- Un recipiente para colocar el diesel y la mecha (mechero)

- Masilla para sellar el recipiente

- Fósforos.

-Madera

-Malla

6.- PROCEDIMENTO

a) Conseguir todos los materiales

b) elaborar el mechero de la siguiente manera:

Realizar un orificio en la parte central superior del recipiente que va

contener el diesel, introducir la mecha realizada a base de tela la misma

que tiene que ser de un material absorbente y tiene que estar trenzada

por medio de un tubo el que va a ser introducido en el orificio del

recipiente.

c) Realizar la turbina la misma que nosotros la realizamos con una lata

de cerveza recortando un cuadrado y el que es recortado por las

diagonales de las cuatro esquinas.

d) hacer un montaje de madera de manera que sea semejante a un

contenedor para poder el recipiente de agua sobre la malla la misma que

esta sobre el fuego generado por el mechero.

e) En el orificio del recipiente que contiene el agua colocar el tubo de

cobre y lo sellamos con la masilla.

f) colocamos la turbina a una distancia adecuada para que pueda ser

movida por el vapor del agua que sale del recipiente.

7.- CONCLUSION:

Con la experimentación mediante este proyecto llegamos a una

mejor comprensión de las leyes de la termodinámica y sus propiedades,

además pudimos comprender los grandes beneficios del agua como una

manera de producir trabajo termodinámico.

8.-RECOMENDACIONES

La recomendación que podemos hacer es que para realizar un proyecto

como este lo más aconsejable es la utilización de materiales adecuados,

y tener muy claro los conocimientos previos de la materia.

9.-BIBLIOGRAFIA.

http://www.monografias.com/trabajos25/concepto-energia/concepto-

energia.shtml

http://www.google.com.ec/images?hl=es&q=mechero

%20casero&um=1&ie=UTF-

8&source=og&sa=N&tab=wi&biw=1085&bih=616

http://www.uamerica.edu.co/tutorial/1intro_text_1_1.htm

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

http://html.rincondelvago.com/rendimiento-y-eficiencia-de-maquinas.html

http://www.proenergia.com/id82.html

http://www.mavainsa.com/documentos/8_turbinas_de_vapor.pdf

http://www.experimentocienciatecnologia.com/Experimentos%20de

%20ciencia%20y%20tecnologia.htm

10.- ANEXOS