TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

Transcripción

1 TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CT-34 Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor Trejo -Conceptos básicos

2 Contenido Principios básicos de la termodinámica Primera ley de la termodinámica Segunda ley de la termodinámica Propiedades de estancamiento Ecuación de continuidad Trabajo específico en una turbomáquina Notación y triángulos de velocidad Principio de funcionamiento de una turbomáquina Ecuación de Euler Rotalpía

3 Qué es la termodinámica? Es la ciencia que estudia las transformaciones energéticas Se expresa a través de 4 principios

4 Conceptos básicos Sistema Es una región del espacio definida por un observador FRONTERA Ciclo Proceso que inicia y termina en el mismo estado Propiedad Termodinámica Variable que cuantifica la situación de un sistema Intensivas Extensivas Isocórico Isotérmico Isobárico Adiabático Proceso Es la transformación de un estado a otro Reversible Irreversible Estado Condición del sistema definida por sus propiedades independientes

5 Conceptos básicos EQUILIBRIO Un sistema está en equilibrio siempre y cuando no ocurran cambios en sus propiedades sin un estímulo externo Térmico Químico Mecánico De fase FASE Cantidad homogénea y uniforme de materia Sólido Líquido Vapor

6 Propiedades Termodinámicas PRESIÓN TEMPERATURA

7 Propiedades Estáticas El estado termodinámico de una partícula de fluido se define por sus propiedades (p, T, u, h, s); pero desde el punto de vista de la mecánica, también se requiere saber la velocidad de la partícula y, posiblemente, su posición en un campo gravitatorio. Las propiedades termodinámicas se denominan propiedades de estado; son los valores que se medirán con instrumentos que son estáticos respecto al fluido. Las propiedades estáticas representan la estructura molecular del fluido y obedecen a todas las ecuaciones de estado y otras leyes relacionadas con las propiedades y las ecuaciones termodinámicas. La velocidad de la partícula y la elevación se especifican aparte.

8 Propiedades de Estancamiento Estado de estancamiento o total: estado que obtendría un fluido en movimiento si sufriera una desaceleración adiabática reversible hasta llegar a velocidad cero. Presión de estancamiento: P = P + ρ c 0 Entalpía de estancamiento: h = h + 0 c Temperatura de estancamiento: T = T 0 + c C p Fuentes: Fundamentos de termodinámica Van Wylen Gas Turbine Theory Savaramuttoo et al.

9 Propiedades estáticas y de estancamiento 0 corriente no perturbada punto de estancamiento P = P 0 + ½ρC

10 Representación de las propiedades Diagrama de Fase Tablas de Propiedades pv R = = RT R M Ecuaciones de estado

11 Primera ley de la termodinámica Para un proceso (entre dos estados): = dq E E ( dw ) Donde E = U + mc + mgz Para un volumen de control abierto en estado estable: Q& W& x = m& ( ) ( ) h h + m c c + g( z z ) () La Energía del Universo se conserva Fuente: Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery Dixon S. y Hall C.

12 Segunda ley de la termodinámica (/3) La segunda ley establece la dirección de estas transformaciones (por ejemplo el calor fluye siempre de un cuerpo a alta temperatura a uno de menor temperatura a menos que se realice trabajo) y su calidad (irreversibilidades en los procesos) Los procesos espontáneos no son reversibles

13 Segunda ley de la termodinámica (/3) Para un ciclo reversible se tiene que: dq rev = 0 T Esto es un indicio de la existencia de una propiedad (depende del estado y no de la trayectoria). A esta integral evaluada entre dos estados se le llama cambio de entropía: dq rev T = S S Fuente: Manual del ingeniero mecánico Marks

14 Segunda ley de la termodinámica (3/3) Para un proceso no reversible: Esta expresión se puede reescribir en términos de una producción de entropía debido a irreversibilidades como fricción, procesos de mezclado o cualquier otra fuente de irreversibilidades: S S = dq T rev + S dq T irrev S S Fuente: Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery Dixon S. y Hall C.

15 Ciclo de Carnot Rendimiento Máquina de Carnot TEOREMAS DE CARNOT No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas. Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.