EQUIPOS TERMODINAMICOS
ADRIANA VEGA MOLINA MARIANELLA BERMUDEZ MARIA JOSE DUARTE ABDO GERALDINE REALES MONTERO
ING. ANGEL POLO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER INGENIERIA UNDUSTRIAL TERMODINAMICA VALLEDUPAR – CESAR 2015
CICLO DE VAPOR DE AGUA
Q =2 000 [kJ/kg] 3. 1.
Vapor P=25
W= 602.4 −
W=2.4 Vapor P= 1 4.
4.
Q= 250[kJ/kg]
En el ciclo de potencia del vapor de agua, la sustancia de trabajo es el agua. Ésta cambia del estado líquido comprimido (punto 1) a vapor recalentado (punto 2) de alta temperatura y alta temperatura. Este proceso se lleva a cabo en una cald!a o generador de vapor a presión constante. osteriormente, la sustancia de trabajo su!re una e"pansión en la turbina para producir trabajo y quedar como vapor a baja presión. osteriormente, la sustancia de trabajo su!re una e"pansión en la turbina para producir trabajo y quedar como vapor a baja presión del orden de 1 bar o menos. #uego, este vapor se condensa (condensador) y se le deja como líquido a baja presión (punto $) para que una bomba aumente la presión y ponga a la sustancia de trabajo en las mismas condiciones de líquido comprimido a alta presión (punto1). Es importante resaltar que en la caldera se entrega calor a alta temperatura (% &) y en el
condensador
se
le
e"trae
calor
a
baja
temperatura
(% #).
'ambin es importante resaltar que cada equipo ilustrado en el ciclo de vapor de agua es considerado como "#"$%a a&#!$' o volumen de control. ero, si se toma todo el conjunto completo (planta global) se puede apreciar que es un sistema sin entrada y salida de materia. #a sustancia de trabajo est dentro del sistema cambiando de estado, recibiendo desde los alrededores del sistema a alta temperatura ('&) un calor %&* y desde los alrededores a baja temperatura (' #) recibe calor %#, para devolver un trabajo neto + ('rabajo turbina trabajo bomba). Pa!d" -aldera /mpermeable diatrmica 'urbina ermeable adiabtica -ondensador /mpermeable diatrmica 0omba /mpermeable adiabtica
MOTOR CUATRO TIEMPOS
PUNTO
V [!"]
P [#g/!2$
T [°#]
1
1%0&.55
0.%
2&"
2
226.1&
14.'0
6'".1"
"
226.1&
&".54
42%2.56
4
1%0&.55
5.0%
1%64.0&
unto +3245.62 78gm9 C()O*+, -Q$ [#a] Q
1.0"
Qp
0.45
Q
0.5%
'iempo 1 :;? En el primer tiempo una me@cla de gasolina y aire va a entrar en la cmara de combustión del cilindro. ara ello el pistón baja del punto superior del cilindro al in!erior, mientras que la vlvula (o vlvulas) de admisión se abre y deja entrar esa me@cla de gasolina y aire al interior del cilindro, para cerrarse posteriormente. #a gasolina es combinada con aire ya que, de por sí, la gasolina sola no ardería y necesita o"ígeno para su combustión. #a relación teórica es 1 gramo de gasolina por 1$,5 gramos de aire, pero depende de mucAos !actores, como por ejemplo de la densidad de ese aire. or eso en los motores modernos una sonda lambda e"amina los gases sobrantes de la combustión e in!orma a la centralita sobre cómo Aa de ser la proporción de la me@cla gasolinaBaire a suministrar por los inyectores. 'iempo 2 -C<DE=/>? En el segundo tiempo, con el pistón en su posición ms baja y la cmara de combustión llena de gasolina y aire, la vlvula de admisión se cierra y deja la
cmara cerrada Aermticamente. #a inercia del cigeFal al que est unida la biela del pistón Aar que el pistón vuelva a subir y comprima así la me@cla. #a gasolina y el aire se comprimen dentro de una cmara Aermtica y, al reducirse de tal manera el espacio, las molculas cAocan entre sí aumentando la temperatura de la me@cla. #a gasolina y el aire estn listos para el tercer tiempo la combustión. 'iempo -C<0G='/>? En el tercer tiempo, con el pistón en su posición ms alta y comprimiendo la me@cla de gasolina y aire, es cuando entra en acción la bujía. Es en este preciso momento, con la me@cla comprimida y a una alta temperatura, cuando la bujía genera una cAispa que Aace e"plotar violentamente esa me@cla. #a combustión Aace empujar el pistón Aacia abajo con !uer@a y la biela y el cigeFal se encargan de convertir ese movimiento lineal del pistón, de arriba a abajo, en un movimiento giratorio. 'iempo $ E=-:E En el cuarto tiempo, el Hltimo de este proceso y que signi!icar la cuarta carrera del pistón y la segunda vuelta del cigeFal, el pistón se encuentra en su parte ms baja de nuevo y con la cmara de combustión llena de gases quemados productos de la combustión de la gasolina y el aire. El pistón vuelve a subir en este cuarto tiempo y al Aacerlo empuja esos gases Aacia arriba para que salgan por la vlvula de escape que se abre con el !in de dejarlos salir y volver a dejar la cmara del cilindro vacía. ?o como durante la compresión, que permanecía cerrada. Es aAora, con el pistón de nuevo en la parte superior cuando se inicia el ciclo de nuevo desde el principio. El pistón volver a bajar mientras que la vlvula de admisión se abre y deja pasar una nueva me@cla de gasolina y aire, y así una y otra ve@. 'rans!ormación I1 /sobara a presión atmos!rica impermeable 'rans!ormación 12 :diabtica impermeable 'rans!ormación 2 /socora impermeable 'rans!ormación $ :diabtica impermeable 'rans!ormación $1 /socora impermeable
CICLO DE RE(RIGERACI)N 89:o3 = ; 161
2 [bar] ? @ = 241 3
16 [bar] ? @ = 2&5
89:ap = 10'
T 3 aporaor T 3a= 20 °C T 73a= 12°C
T 3 o33aor T 3a= 20°C T 73a= ""°C
Ctro ciclo a mencionar es el ciclo inverso al ciclo de potencia DanJine, denominado ciclo de re!rigeración. En ste la sustancia de trabajo es aquella que posea temperaturas de saturación lo necesariamente baja a las presiones de trabajo. : estas sustancias se les denominan re!rigerantes, y entre ellas se puede mencionar los compuestos !luorocarbonados , el amoníaco, el agua, etc. ara e"plicar el ciclo se parte del punto 1, donde la sustancia de trabajo se encuentra como vapor saturado a baja presión. #uego, se comprime para poner a la sustancia de trabajo en condiciones de vapor recalentado a alta temperatura y alta presión (punto 2). osteriormente, dicAo vapor se en!ría y se condensa Aasta convertirse todo en líquido (punto ), para luego e"pandirse en una vlvula de estrangulación, cayendo la presión y la temperatura (punto $). Kinalmente la sustancia de trabajo recibe calor del medio para evaporarse nuevamente y situarse a las mismas condiciones del punto 1.
Es importante resaltar que en el evaporador se recibe calor a baja temperatura %# y en el condensador se evacua calor a alta temperatura %&. =i se toma toda la planta como un sistema se puede observar que al sistema le entra calor a baja temperatura y trabajo para e"pulsar calor a alta temperatura, lo cual e"plica la calidad de ciclo inverso al de potencia DanJine. Pa!d" -omprensor impermeable diatrmica -ondensador impermeable diatrmica Llvula de e"pansión impermeable adiabtica Evaporador impermeable diatrmica
TURBINA N
P = 3,5 kW, t2= 1239,5 K y 2= 257,!2 m/". # = 3000 k$al/h
=e tiene nitrógeno a una temperatura de 1MIIN - y 6 atm y ste se e"pande a travs de una turbina Aasta una presión de 1 atm. #a turbina se diseFa de manera tal que los gases salen con gran velocidad. -uando el !lujo de gases es de MI JgBA la turbina produce ,M J+. #as prdidas de calor en la turbina son de III JcalBA. #a tubería que llega a la turbina tiene un dimetro interno de I,O22 pulgadas. #a capacidad calorí!ica de los gases se puede considerar constante e igual a I,2$ JcalB(JgPN-) #a temperatura es 124,M 8 y velocidad del gas 2M6,52 mBs del gas saliente si la tubería de salida es igual a la de entrada -iclo termodinmico de las turbinas de gas El modelo termodinmico de las turbinas de gas se !undamenta en el ciclo de 0rayton. : pesar de que se generali@a como ciclo termodinmico, en realidad el !luido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este !inali@a con una composición o en un estado di!erente al que tenía cuando
inició los procesos. :lgunos autores como =onntag, 0orgnaJJe y Lan +ylen, clasi!ican los procesos de una turbina a gas como de ciclo abierto. #as turbinas de gas de ciclo abierto simple utili@an una cmara de combustión interna para suministrar calor al !luido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utili@an un proceso de trans!erencia para agregar o remover calor del !luido de trabajo. El ciclo bsico de 0rayton en condiciones ideales est compuesto por cuatro procesos 1.
-ompresión isentrópica en un compresor.
2. :dición de calor al !luido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cmara de combustión. .
E"pansión isentrópica en una turbina.
$. Democión de calor del !luido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmós!era. o
EL COMPRENSOR Gn compresor es una mquina de !luido que est construida para aumentar la presión y despla@ar cierto tipo de !luidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se reali@a a travs de un intercambio de energía entre la mquina y el !luido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es trans!erido a la substancia que pasa por l convirtindose en energía de !lujo, aumentando su presión y energía cintica impulsndola a !luir. :l igual que las bombas, los compresores tambin despla@an !luidos, pero a di!erencia de las primeras que son mquinas Aidrulicas, stos son mquinas trmicas, ya que su !luido de trabajo es compresible, su!re un cambio apreciable de densidad y, generalmente, tambin de temperatura* a di!erencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan !luidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable. #os compresores son ampliamente utili@ados en la actualidad en campos de la ingeniería y Aacen posible nuestro modo de vida por ra@ones como •
•
=on parte importantísima de mucAos sistemas de re!rigeración y se encuentran en cada re!rigerador casero, y en in!inidad de sistemas de aire acondicionado. =e encuentran en sistemas de generación de energía elctrica, tal como lo es el -iclo 0rayton.
•
•
=e encuentran en el interior mucAos Qmotores de aviónQ, como lo son los turborreactores y Aacen posible su !uncionamiento. =e pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumticos, los cuales mueven !bricas completas.
A*+l#"#" d la C'%,!"#-* d * Ga" /maginemos que en el cilindro de la !igura ane"a tenemos un volumen V de un gas ideal y est QtapadoQ por un pistón que es capa@ de desli@ar verticalmente sin !ricción. En un principio este sistema se encuentra en equilibrio con el e"terior, es decir, la presión que ejerce el gas sobre las paredes del cilindro y sobre el pistón (que es la misma en todas las direcciones) pint es igual a la presión que ejerce el peso del pistón sobre el gas pext , y ms ninguna otra !uer@a obra sobre nuestro sistema. :Aora imaginemos que repentinamente aumentamos la presión e"terna a pRext y como la presión que ejerce el gas sobre el pistón es pint S pRext el equilibrio se romper y el cilindro desli@ar Aacia abajo ejerciendo un trabajo W 3 fuerza P desplazamiento 3 pRext TV . Esta energía, por la primera ley de la termodinmica, se convertir instantneamente en un incremento de energía interna del gas en el recipiente, y es así como el gas absorber el trabajo del despla@amiento pistón. Gn compresor de gas trabaja entregndole energía a un !luido compresible. Ésta energía es adquirida por el !luido en !orma de energía cintica y presión (energía de !lujo). =e utili@a principalmente en aires acondicionados. El compresor esta compuesto por bielas, pistones, embobinado, bomba de lubricación, anillos de lubricación, anillos de presión, aceite, sedaso o plato, cigeFal, carter, bobinas, terminales que son siempre en cone"iones de tipo estrella o estrella delta.
=e
puede concluir del presente trabajo que el turbocompresor da a los motores de combustión interna mejores características que permiten mejorar en !orma sustancial, al incrementar en !ormar determinante el aumento de la masa de me@cla combustible requerida para el proceso de combustión en la cmara. El trabajo Aa dejado su!icientemente claro la relación L y '= en la cual al incrementar los valores de presión y temperatura, el valor del rendimiento aumenta como consecuencia del equilibrio termodinmico. =e Aan visuali@ado los di!erentes tipos de compresores que !ormar parte del turboalimentador destacando de ello sus ventajas, desventajas y principales características. El inconveniente presentado con el material bibliogr!ico posiblemente no Ae permitido aAondar mas pro!undamente en el tema, el cual es de suma importancia en los controles de motores, sin embargo esta se Aa cumplido con el objetivo propusto
TOBERA =on utili@ados comHnmente en maquinas de cAorro, coAetes, naves espaciales e incluso mangueras de jardín. Gna tobera es un dispositivo que aumenta la velocidad de un !luido a e"tensas de la presion. Gn di!usor es un dispositivo que aumenta la presion de u !luido retardndolo, las toberas y los di!usores e!ectHan tareas opuestas. El rea de la sección transversal de una tobera disminuye en la dirección del !lujo en el caso de !luidos subsónicos y aumenta cuando se trata de !luidos supersónicos. #o contrario es cierto para di!usores. Gna $'&!a es un dispositivo que convierte la energía potencial de un !luido (en !orma trmica y de presión) en energía cintica. -omo tal, es utili@ado en turbomquinas y otras mquinas, como eyectores, en que se pretende acelerar un !luido para la aplicación de que se trate. El aumento de velocidad que su!re el !luido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompaFado por una disminución de su presión y temperatura, al conservarse la energía
;e #aval estudió el !lujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración m"ima dentro de la tobera llegando al diseFo de toberas con sección convergentedivergente en las que se logra un !lujo sónico < 3 1 (< 3 nHmero de
EVALUACION MATEMATICA DE TOBERAS /soentrópico ideal, por lo que se aplica un coe!iciente de rendimiento que ajusta el clculo. #a ley de la conservación de la energía se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinmica de !luidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto VLelocidad " 'emperaturaW. /dealmente las trans!ormaciones del !luido en una tobera cumplirían las siguientes condiciones •
•
•
=on ad#a&+$#ca" (no Aay una transmisión de calor del !luido a la tobera o al e"terior). =on #"*$!-,#ca" (se trataría de un proceso reversible, sin prdidas). =e producirían en !/#%* ,!%a%*$ (con lo cual, el caudal de !luido que se despla@a a lo largo de la tobera permanecería constante todo a lo largo de la misma).
or tanto se deben cumplir en cualquier punto de la tobera las siguientes dos condiciones (1) donde A es la entalpía y c la velocidad del !luido. (2) donde % es el caudal en cualquier punto (constante)* X, la densidad del !luido en ese punto* y :, la sección de paso en ese mismo punto. ;e las anteriores ecuaciones se deduce que
() donde a es la velocidad del sonido
($)
donde -p y -v son las capacidades calorí!icas del !luido a presión y volumen contantes, respectivamente* p es la presión del !luido en ese punto. #a ecuación () nos puede dar una indicación del per!il que debe tener la tobera. =i se desea que la velocidad del !luido aumente a lo largo de ella, se debe cumplir que dc0. Entonces •
•
•
=i ca (lo que Aa de ocurrir al principio, en que el !luido empie@a teniendo poca velocidad), entonces dA0, es decir mientras la velocidad sea menor que la del sonido, para que el !luido siga acelerndose, la sección Aa de ir disminuyendo. Es lo que se denomina la ,a!$ c'*3!*$ de la tobera. =i ca ( esto ocurrir si el !luido se acelera lo su!iciente como para superar la velocidad del sonido), entonces dA0. Es decir, si el !luido supera la velocidad del sonido, para que siga acelerndose, la sección de la tobera Aa de ser creciente. Es lo que se denomina la ,a!$ d#3!*$ de la tobera. Entre la parte convergente y divergente de una tobera, e"iste un punto en que se cumple que d:3I (la sección permanecería constante) y en ese punto, denominado a!a*$a de la tobera, la velocidad del !luido es la del sonido c4a (se entiende que para ese !luido en esas condiciones).
#as conclusiones son que para empe@ar la aceleración de un !luido, la tobera necesariamente Aa de ser convergente en su primera sección, pero si se quiere que la velocidad del !luido supere la del sonido, debe tener una segunda sección divergente. En el punto entre ambas secciones, llamado garganta de la tobera, la velocidad del !luido es la del sonido. =uponiendo que el !luido cumple la #ey de los gases ideales ( ) podríamos obtener la velocidad en cada punto de la tobera en !unción de la presión, segHn la ecuación
(M) : partir de la ecuación anterior, podríamos Aallar cul debe ser la presión en la garganta de la tobera
(O) donde pI es la presión inicial del !luido a la entrada de la tobera y Y es característica del !luido en cuestión. ;e este modo se puede determinar el valor de la presión en la garganta para cualquier !luido. or ejemplo
•
ara el aire
•
ara el vapor de agua seco
;ebido a la !ricción que ocurre entre el !luido y las paredes de la tobera y entre las propias capas del !luido, se producen algunas prdidas que Aacen que el proceso de e"pansión sea irreversible pero adiabtico y por lo tanto, Aabr una di!erencia entre el proceso de e"pansión en condiciones ideales y el proceso en condiciones reales relacionada con la e!iciencia. En general, se puede decir que para determinar la e!iciencia de una tobera se compara el desempeFo real bajo condiciones de!inidas, con el desempeFo que alcan@aría en condiciones ideales.
LAS BOMBAS DE CALOR Gna bomba de calor es una mquina trmica que permite trans!erir energía en !orma de calor de un ambiente a otro, segHn se requiera. ara lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinmica, segHn la cual el calor se dirige de manera espontnea de un !oco caliente a otro !río, y no al revs, Aasta que sus temperaturas se igualan. Este !enómeno de trans!erencia de energía calorí!ica se reali@a principalmente por medio de un sistema de re!rigeración por compresión de gases re!rigerantes, cuya particularidad radica en una Llvula inversora de ciclo que !orma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del !lujo de re!rigeración, trans!ormando el condensador en evaporador y viceversa.
El principio de la bomba de calor se utili@a en sistemas de climati@ación o &L:-, así como en sistemas domsticos de aire acondicionado, dado que el ciclo reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de e"traer como de ingresar energía al medio Qen!riarQ o QcalentarQ con un mismo equipo, controlando arranques, paradas y el ciclo reversible en !orma automtica. Zracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina como para controlar el ambiente de un invernadero. =i el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se reali@a lentamente, de modo que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio trmico con el medio circundante, el proceso es isotrmico. -uando el proceso es intermedio entre estos dos e"tremos (adiabtico e isotrmico) el proceso se denomina politrópico.
