CICLOS TERMODINAMICOS

Transcripción

1 ILOS ERMOINMIOS

2 ILO ERMOINÁMIO Es un roeso o onjuntos de roesos or los que un sistema evoluiona volviendo al mismo estado iniial. Para todo ilo se umle que: U 0; W ilo reversible: (todos los estados son de equilibrio). Puede reresentarse en diagramas PV, S,. arnot > F 2 F F. arnot El área dentro del ilo en un diagrama PV reresenta el trabajo y en un diagrama S el alor

3 Los ilos termodinámios ermiten: a) onvertir alor en trabajo or interaión on dos foos térmios Máquinas o motores térmios. Se desriben en sentido horario b) Pasar alor de un foo frío a otro a mayor temeratura frigorífios o bombas de alor. Se desriben en sentido antihorario Motor: ilo horario W>0 Refrigerador o bomba de alor ilo antihorario W<0

4 MOOR O MUIN ERMI El ilo se utiliza ara onvertir alor en trabajo. Por ello: (W>0, sentido horario > F arnot 2 F Exansión isotérmia U=0, =W >0 U 0; W F F W util 0 Exansión adiabátia U= W >0 omresión isoterma U=0; 2 =W <0 omresión adiabátia U= W <0

5 MUIN FRIGORIFI Y OM E LOR F F F F F f W > F F 2 El fluido toma alor del foo frio El fluido ede alor del foo aliente 0 ; 0 W U F F F bomba W arnot Inverso

6 PRINIPPLES ILOS E POENI Ideal de arnot Rankine rayton Stirling E REFRIGERION e arnot inverso Refrigeraión or omresión Por absorión

7 ILO E RYON Modela el omortamiento ideal de una turbina a gas (normalmente aire) unque es un ilo de otenia de ombustión interna abierto (los gases de salida no se reutilizan normalmente), es onveniente, ara el análisis termodinámio, suoner que los gases de esae son reutilizados en el ingreso, ermitiendo el análisis omo ilo errado ESUEM E FUNIONMIENO dmision omresion ombustion urbina Esae htt://

8 REPRESENION ERMOINMI EL ILO ilo idealizado de rayton Es un motor térmio que rodue trabajo or interambio de alor on dos foos, térmios a distinta temeratura El rendimiento viene dado or: W neto absorbido foo aliente foo aliente foo frio 2

9 2 NLISIS ERMOINMIO a) Proesos isobários Restando la unidad a ada miembro b) Proesos adiabátios Isoentroios Y reombinando términos () (2)

10 2 n n 2 LOR NEO EN EL ILO neto n 2 El rendimiento en funión de las temeraturas odrá exresarse omo: 2

11 htt:// RJO EN EL ILO 2 0 v n U W 0 nr V V W 0 v n U W 0 nr V V W El trabajo neto en el ilo (ositivo), se obtiene sumando los trabajos de ada tramo y aliando la relaión de Mayer neto n W R v omo era de eserar trabajo y alor neto oiniden

12 htt:// r adiabatio oefiiente on v EL RENIMIENO EN FUNIÓN E L RZÓN E OMPRESIÓN r 2 (2) efiniendo la razón de omresión r omo: r la euaión del rendimiento se transforma en:

13 MEJOR E L URIN SIMPLE: REGENERION El rendimiento del ilo se mejora si arte de los gases de salida se introduen en un interambiador ara realentar el gas de entrada a la ámara de ombustión LERNOR URIN SIMPLE URIN ON REGENEROR Gases de salida

14 USO EN PLIIONES SOLRES ENRL E POENI ERMOSOLR

15 MOOR E SIRLING El motor Stirling (86) omitió en sus iniios on la máquina de vaor. En los últimos años ha susitado de nuevo interés orque: Su rendimiento uede, teóriamente, alanzar el límite máximo de arnot. El fluido de trabajo oera en un ilo errado on fuente de alor externa. Esto hae que este motor sea, otenialmente, de muy bajo nivel de emisiones. l utilizar una fuente de alor externa es adatable a una gran gama de fuentes de energía alorífia (nulear, solar, alor de deseho de roesos, et.) esventajas: El fluido de trabajo es un gas lo que aarrea difiultades oerativas. En general se utiliza el hidrógeno y el helio or sus buenas roiedades termodinámias.

16 REPRESENION ERMOINMI EL ILO : omresión isoterma del gas a la temeratura inferior, f. Se ede alor, a la fuente fría or absorión del trabajo meánio ara la omresión. : alentamiento isoório. El gas absorbe del alor, 2, aumentando su temeratura hasta y su resión. 3 : Exansión isoterma del gas a alta temeratura,. El gas toma el alor 3 de la fuente aliente roduiendo una antidad equivalente de trabajo. f 4 : Enfriamiento isoório hasta la temeratura del foo frio f or esión del alor 4.

17 Se absorbe alor en el alentamiento isoório y en la exansión isoterma, y se ede en los otros dos roesos. alor neto absorbido: alor neto edido RENIMIENO EL ILO Este rendimiento es siemre menor que el máximo ideal: f v f n V V nr ln f v f n V V nr ln Por lo que el rendimiento es: f v f v f f r R r R ln ln V V r on Se umle: f max 0 ln 2 max f v f v r R

18 ESRIPION EL FUNIONMIENO Un sistema que realiza el ilo Stirling está formado or un ilindro, un istón de trabajo y un istón de deslazamiento on un regenerador de alor que divide al sistema en dos zonas, una zona aliente a y una zona fría a f. () (2) (3) (4) ) odo el gas está en la arte fría ilindro a una temeratura f y ouando el máximo volumen. 2) urante la omresión hasta el mínimo volumen, =f onstante y se ede alor a la zona fría. 3) El gas ha atravesado el regenerador absorbiendo alor rg y aumentando hasta. 4) Exansión del gas hasta el volumen máximo iniial absorbiendo alor del foo aliente on roduión de trabajo. Se vuelve a la osiión iniial atravesando otra vez el regenerador, ero esta vez el gas ederá una antidad de alor, al regenerador bajando su temeratura hasta f

19 IMPORNE: Lo que hae eseial al ilo de Stirling es la resenia de un interambiador de alor (o regenerador). En el enfriamiento del gas, se asa de la temeratura a f liberando alor. En el alentamiento, se asa de f a, absorbiendo alor. Puesto que, teóriamente, se asa or las mismas temeraturas es osible arovehar el alor liberado al enfriarse sin violar el segundo riniio de la termodinámia: el alor que se va liberando gradualmente en un unto del enfriamiento se ede al unto a la misma temeratura en el alentamiento. Puesto que ambos untos se enuentran a la misma temeratura el roeso sería reversible. En la realidad siemre se neesita una diferenia de temeraturas ara la transferenia, ero ueden ser lo sufiientemente equeñas omo ara que el rendimiento real se aroxime bastante al máximo ideal. omo funiona? htt://ersonales.able.es/jgros/ htt:// htt://

20 USOS EN PLIIONES SOLRES: iso Stirling on diseño roio bengoa Solar iso Stirling de la lataforma solar de lmeria

21 ILO E RNKINE El alor suministrado or una fuente externa se onvierte arialmente en trabajo utilizando normalmente agua. Se aroveha la entalía de ambio de fase.

22 ILO E RNKINE: IEL 2. alentamiento sensible adiabátio del líquido (f ) or omresión. Requiere bomba o omresor. 2 3: alentamiento isobário del líquido hasta onvertirlo en vaor saturado. Requiere de una fuente de alor externa. (Vaorizaión) 3 4: Exansión adiabátia del vaor saturado en la turbina, on generaión de otenia. La temeratura y la resión bajan y aaree ondensaión. (Enfriamiento sensible f y de ambio de fase or ondensaión) 4 : ondensaión isoterma del vaor hasta la saturaión. El vaor se onvierte en líquido saturado.

23 RENIMIENO EL ILO RNKINE W urbina m h h 2 W urbina W omba W bomba m m h 4 h 3 h h 4 F m h 2 h 3

24 ILO E RNKINE: REL En un ilo real la omresión en la bomba y la exansión en la turbina no son isentróias, or lo que son roesos no reversibles on aumento de entroía mayor onsumo en la bomba y menor rendimiento global La efiienia de la turbina se redue or la formaión de gotas n el ondensado que al hoar ontra las aletas de la turbina reduen su veloidad, las erosiona y redue su vida de uso. La soluión mas fáil es sobrealentar el vaor (roesos 33 )ara deslazar el diagrama haia la dereha (3 4 ), or lo que se rodue un vaor mas seo tras la exansión, lo que evita el goteo

25 ILO E RNKINE: REL ON REUPEROR E LOR iagrama S ara el vaor Se introdue en el ilo un interambiador de alor or ontato direto (unto 2 del ilo), en el que entran en ontato arte del vaor que sale de la turbina on el fluido que hay en el ondensador (4), on lo que se onsigue un líquido saturado a una temeratura intermedia (unto 7). e esta forma se onsigue aumentar el rendimiento del ilo aunque se aumenta la omlejidad de la instalaión y on ello los roblemas ligados al mantenimiento, Es el ilo que habitualmente se utiliza en las entrales de otenia

26 ILOS E REFRIGERION. ilo de arnot inverso: ilo ideal desrito or un gas (no ondensable) f F F bomba OP F

27 ILO E JOULE ( MUINS FRIGORÍFIS E IRE) Las máquinas frigorífias de aire funionan según un ilo Joule. unque tienen un elevado onsumo de energía se usan or la seguridad que suone el utilizar aire omo fluido así omo or el oo eso de las instalaiones (omresores rotativos). 2. omresión adiabátia on aumento de. Requiere omresor. 2 3: Enfriamiento isobário on esión de alor. 3 4: Exansión adiabátia en turbina o maquina de istón o turbina. 4 : alentamiento isobário or absorión de alor or ontato on foo aliente OP F 2

28 ILO REL E REFRIGERION POR OMPRESION

29 ILO E REFRIGERION POR SORION La refrigeraión or absorión es un medio de roduir frío arovehando la variaión de entalía asoiada al ambio de fase L V El ilo se basa físiamente en: ) ambio de solubilidad on la temeratura: or ejemlo agua NH3 (el NH3 es el soluto) ) la aaidad de algunas sustanias, omo el bromuro de litio de absorber otra sustania agua en fase de vaor.

30 PRINIPIO E OPERIÓN E POR SORIÓN: NH3 GU Generador: La soluión NH3 H2O se lleva ebulliión, or aorte alorífio externo. El fluido refrigerante NH3 se vaoriza y se seara del agua (resión unos 20 bares) ondensador: el vaor de NH3 ondensa or enfriamiento on aire ambiente exterior esión aire exterior Generador Refrigerante V. Exansión bsorbedor bsorión de alor Evaorador: NH3 líquido se evaora a baja resión (unos 4 bares) absorbiendo alor del iruito de utilizaión ( róxima 3 ). bsorbedor: El vaor de NH3 es absorbido or el agua roveniente de la searaión amoniao agua que se rodujo en el generador

31 ILO NH3 H2O El fluido que se mueve e interambia alor es el NH3. El agua es la sustania absorbedora Los ilos termodinámios son los inversos de Rnakine o Joule Preisa de una bomba ara llevar la disoluión onentrada al evaorador OP Extraido foo frio fuente externa W omba Extraido generado

32 ILO E REFRIGERION POR SORION: rli H2O El bromuro de litio es una sal higrosóia uya salmuera tiene gran afinidad or el vaor de agua que lo absorbe del aire húmedo. Es un ilo similar al de NH3 GU, aunque en este aso el fluido que desribe el ilo refrigerante es el agua. El ilo básio onsta de los mismos uatro roesos básios: absorión de vaor de agua, evaoraión de vaor de agua, regeneraión y ondensaión de vaor de agua. Ventajas: el absorbente es no volátil or lo que no aomaña al vaor y no se neesita retifiador. Inonvenientes: el absorbente, no es del todo soluble en el agua ara todos los valores de resión y temeratura que ueden darse en el sistema (reauiones ara evitar la ristalizaión del romuro de Li), or ser el agua el refrigerante, las resiones de oeraión sub atmosférias e l bromuro de litio es orrosivo