CÁLCULOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJO PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CÁTEDRA: CONVERSION DE ENERGIA TEMA: CÁLCULOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS. ING. CARACCIOLO GÓMEZ

2 ENERGÍA Energía Definición: Es la capacidad de un sistema o cuerpo para producir un cambio

3 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: CALOR: 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. Sistema () Calor Sistema () T T La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: trabajo y calor. El calor se denota con sistema internacional (SI): TRABAJO: KJ ó Kcal, y como es una forma de energía, tiene unidades en: sistema ingles (USCS): BTU 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 de una distancia (s). La fuerza aplicada a un sistema, proviene de otras formas de energía como el calor y la electricidad.

4 TRABAJO: Las unidades utilizadas: Sistema internacional (SI): KJ/Kg Sistema ingles (USCS): Btu/Lbm 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 de tiempo se denomina tasa de flujo masico y se denota con, y es proporcional al área transversal del ducto, a la densidad y velocidad madia del fluido. m m A Perfil real y promedio de la velocidad para el flujo en tuberías.

5 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. Eentre E Traferecianeta deenergía porcalor, trabajoy masa Energia total Energia total Cambio en la energia que al sistema que del sistema total del sistema Esistema Cambioen las energíainternas, cinetica, potencial, etc E entre E Tasa detraferecianeta deenergía porcalor, trabajoy masa E sistema Tasa de cambioen las energíainternas, cinetica, potencial, etc 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.

6 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: E E W W Emasa, Emasa, Esistema Balance de energía para sistemas cerrados: La relación del balance de energía en tal caso para un sistema cerrado es: neto, Wneto, E sistema o W E donde, W W neto, neto, W W

7 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Balance de energía para sistemas cerrados: Ecuación general: Sistemas estacionarios: Por unidad de masa: Forma diferencial: W U W U q E w u e q w u e c c C e E p e p p Balance de energía para sistemas de flujo estable: En un volumen de control ninguna propiedad cambia con el tiempo. El contenido de energía que (Calor, Trabajo y Masa) es igual a la que, y el cambio en la energía total del volumen de control es cero. Por lo tanto, el balance de energía se reduce a: E E Tasa neta de energía trasferidaporcalor, trabajoy masa a la da Tasaneta deenergía trasferidaporcalor, trabajoy masa a la salida El balance de energía, establecido para un sistema de flujo estable es general se expresa así: W m h gz W m h gz

8 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: e We me h ec ep s We ms h ec ep Donde los subíndices, e : Entrada al volumen de control. s : Salida al volumen de control. e m u e e m u e e s c p c p 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: W m h W m h m u m e e e e s e s s u 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.

9 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Los 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.

10 MAUINAS TÉRMICAS Es un dispositivo que permite trasformar la energía en forma de calor en trabajo. Destacando que existen diferencias considerables entre ellas, pero con características comunes como: ) Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc). ) 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. W W net, sal net, sal sum sum sum ced ced ced sum ced W net, sal

11 REFRIGERADORES Son dispositivos que permiten la transferencia de energía en forma de calor desde una región de temperatura inferior (Extrayendo calor de ella) hacia una región de temperatura superior. Estos dispositivos están provisto de cuatros elementos básicos que conforman el ciclo termodinámico por lo cuales circula el fluido de trabajo (refrigerante).

12 PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Proceso reversible: Es el que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores; tanto el sistema y los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado. Péndulo sin fricción. Compresión y expansión en cuasiequilibrio de un gas. Proceso irreversible: Los procesos que no son reversibles se conocen como irreversibles y los factores que los causan son: La fricción, la expansión libre, la mezcla de dos fluidos, la transferencia de calor a través de un diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de los sólidos y las reacciones químicas. Expansión libre del gas. Transferencia de calor.

13 CICLO DE CARNOT Expansión isotérmica reversible: Proceso -, T H constante. Expansión adiabática reversible: Proceso -3, disminuye de T H a T L Compresión isotérmica reversible: Proceso 3-4, T L constante. Compresión adiabática reversible: Proceso 4-, aumenta de T L a T H

14 DIFICULTAD PARA LLEVAR EL CICLO DE CARNOT A LA PRACTICA Tiene que ver con los equipos, la mayoría de ciclos encontrados en la practica difieren significativamente del de Carnot, además de que el ciclo de Carnot es tanto interna como externamente reversible a diferencia de los demás ciclos. De ahí que se inadecuada su aplicación como modelo realista. La maquina térmica Real no puede alcanzar esta máxima eficiencia teórica porque es imposible eliminar por completo las irreversibilidades relacionadas con el ciclo real. Además no es factible económicamente eliminar las causas de irreversibilidad (fricción y transferencia de calor esencialmente). Existen dificultades para la implantación de los procesos de absorción y expulsión de calor a temperatura constante debido a la velocidad de respuesta limitada de los sistemas de control. Las eficiencias térmicas de maquinas térmicas reales y reversible que operan entre los mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente: t t, t, t, rev. rev rev Máquina térmica irreversible. Máquina térmica reversible. Máquina térmica imposible.

15 PROCESOS ISOENTROPICOS Los procesos internamente reversibles pueden utilizarse como modelos estándar con el que pueden compararse todos los procesos reales (Irreversibles). La entropía de una masa fija puede cambiarse por: La trasferencia de calor, caídas de presión en las líneas debido a fricción de los fluidos al circular o moverse por los sistemas entre otras características principales, durante los procesos reales (Irreversibles). Un proceso internamente reversible y adiabático, es aquel donde la entropía durante ese proceso permanece constante se denomina isoentropico (entropía constante), es decir la variación de entropía de una masa determinada debe ser cero el cual se caracteriza por: Δs =0 o s=s Muchos dispositivos de interés en ingeniería son prácticamente adiabáticos como bombas, turbinas, difusores y toberas entre otros. Así, los procesos isoentropicos se utilizan como modelos idealizados con el que pueden compararse los procesos reales adiabáticos.

16 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: Caldera Vap. Sob. Liq. Sat w 0 m h m m P P m h Condensador w 0 m L m h m m h

17 CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS IDEALES Intercambiadores de Calor: Estableciendo el desconocimiento en las direcciones de las transferencia de energías se plantea: W m h gz m h gz paracada salida paracadada Despreciando los cambios en la ec y ep m h sal h ent

18 CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS IDEALES Turbinas: w 0 T P m h m T P m m h w Análisis Energético: W m h gz W m h gz Despreciando los cambios en la ec y ep W m h ent h sal

19 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: W rev Despreciando los cambios en la ec y ep Para bombas y compresores W rev W rev v v dp c p v dp dp Hay que conocer v como función de P, cuando el fluido es incompresible el volumen especifico permanece constante, y el trabajo se plantea: W rev v P P

20 CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS IDEALES Eficiencia Total de la Planta: Se define como el trabajo neto realizado, entre la da de calor al sistema. ter W neto sum W TURB W sum BOMBA

21 CALCULOS TERMODINAMICOS EN UNA PLANTA PARA PROCESOS REALES Los datos se toman a partir de mediciones reales de presión y temperatura, tanto en la da 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

22 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 da 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 cald a a. s m s PC a: Poder calorífico absorbido por el agua s: Poder latente suministrado por el combustible m: Caudal de consumo de combustible PC: Poder Calorífico

23 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 W S AL ) y el trabajo de salida isoentropica (o potencia de salida W S SAL ) que se obtiene si el fluido se expansiona desde el estado de da hasta la misma presión de salida. TURB W W SALIDA S SALIDA h h h h s Bombas: Se define como el cociente entre el trabajo isoentropico Ws da y el trabajo real necesario para el mismo estado a la da y la misma presión de salida BOMBA W W S ENTRADA ENTRADA El subíndice S representa el proceso isentrópico h h S h h

24 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. ter Wneta sum W TURB m s W PC BOMB

25 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. intrev T ds intrev T ds

26 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.