aplicacion de la 1ra ley de la ter.1
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
“AÑO DE LA CONSOLIDACION ECONOMICA Y SOCIAL DEL PERU”
Universidad Nacional “San Luís Gonzaga” de ICA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CURSO : TERMODINAMICA I
DOCENTE : Mag. ROSALIO CUSI PALOMINO
ALUMNA : CHOQUE TALLA, ROSARIO PEÑA BERROCAL, LILIANA
AÑO : VI-CICLO
TURNO : TARDE
ICA – PERÚ 2010
Peña Berrocal Liliana Facultad de Ingeniería Química
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
DEDICATORIA
El trabajo de investigación se lo dedicamos a nuestros
padres; a quienes le debemos y todo lo que tenemos
en esta vida.
A Dios que gracias a el tenemos esos padres
maravillosos, los cuales nos apoyan en nuestras
derrotas y celebran nuestros triunfos.
A nuestros profesores quienes son nuestros guias en
el aprendizaje, dándonos los últimos conocimientos
para nuestro buen desenvolvimiento en la sociedad.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
INTRODUCCION
La Las leyes de la termodinámica constituyen útiles guías para el entendimiento de la
energética y dirección de los procesos. termoquímica, que es el estudio científico de la
interconversión del calor y de otras clases de energía.
La Termodinámica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en
las que la temperatura es una variable importante.
Varios términos que hemos usado aquí: sistemas, equilibrio y temperatura serán definidos rigu-
rosamente más adelante, pero mientras tanto bastará con su significado habitual.
En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo de negar la
posibilidad de ciertos procesos.
La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina produzca
trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la posibilidad de lo que se suele
llamar “máquina de movimiento perpetuo de primera especie”.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
1. Conocer los conceptos y definiciones fundamentales. 2. Analizar la primera ley de la termodinámica. 3. Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos como: La Turbina, Comprensor y Intercambiador de Calor
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Conceptos y definiciones. 2. La primera ley de la termodinámica. 3. Identificar si un sistema es abierto, cerrado, o aislado4. Identificar si un sistema hace trabajo sobre sus alrededores o viceversa
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
TERMODINAMICA
La termodinámica (del griego θερμo-, termo, que significa "calor"1 y δύναμις, dinámico, que significa "fuerza")2 es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico. Generalmente los cambios estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la masa, la densidad, o la resistencia. También podemos decir que la termodinámica nace para explicar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo especificaremos que calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.
Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para la química, la física, la ingeniería química, etc, por nombrar algunos.
Leyes de la termodinámica
Primera ley de la termodinámica
La Primera Ley de la Termodinámica o Primer Principio de la Termodinámica se postula a partir del siguiente hecho experimental:
Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción material, interacción en forma de trabajo e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como Energía.
Se define entonces la Energía, como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:
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Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:
Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:
La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:
Donde:
es la variación de energía del sistema,
es el calor intercambiado por el sistema, y es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Eentra − Esale = ΔEsistema
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
U = Q – W
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Ejemplifiquemos lo antes mencionado con un experimento ideal. Consideremos un gas ideal encerrado en un cilindro que dispone un émbolo a cierta temperatura T1 y presión Po. Lo ponemos en contacto con un cuerpo caliente, como representamos en la figura 3, El émbolo se desplazará de la posición “A” a la posición “B” donde establece un equilibrio térmico con el cuerpo caliente a una temperatura T2 y a la misma presión Po que es la presión del aire que rodea al sistema.
Como el émbolo estaba inicialmente en reposo, tuvo que acelerarse para comenzar a desplazarse. Por lo antes dicho, la presión del gas tuvo que ser mayor que el aire que lo rodea, entonces la presión del gas varía, no siendo la misma en cada punto del sistema. Por lo tanto no existe una presión del gas. Tampoco existe una temperatura del gas, dado que en la zona que está en contacto con el cuerpo caliente, está a mayor temperatura que en las cercanías del émbolo.
Podemos afirmar que el sistema evoluciona apartado del equilibrio termodinámico.
De acuerdo al principio de conservación de la energía, el trabajo (T ) que realiza la fuerza que aplica el gas sobre el pistón para desplazarlo , no puede ser mayor que el calor (Q) suministrado al gas. Ambos expresados en las mismas unidades, que en el S.I. es el Joule.
Descripción
La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física -y ampliamente estudiada por éstas- es el trabajo.
Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc.
El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final.
Así, la Primera Ley (o Primer Principio) de la termodinámica relaciona magnitudes de proceso (dependientes de éste) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna.
Aplicaciones de la Primera Ley
Sistemas cerrados:
Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control.
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El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera.
La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:
Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.
Sistemas abiertos
Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.
La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:
O igualmente:
Q + W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔUsistema
in out
Donde: in representa todas las entradas de masa al sistema.
out representa todas las salidas de masa desde el sistema. θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía potencial y energía cinética:
La energía del sistema es:
La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t0 y t) es:
Sistemas abiertos en estado estacionario
El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:
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sistema Aislado Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.
APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
TURBINA
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INTRODUCCION
Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas.
Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor.
Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape.
Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de C.I. En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor.
Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW.
La turbina que vamos a ensayar se trata de una "turbina de acción simple monoexpansiva y de flujo axial".
"Simple" por ser una turbina sin complicaciones tales como la doble expansión de acción.
"Monoexpansiva" se refiere a que sólo tiene un escalonamiento.
"De flujo axial" significa que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin componentes radiales de importancia en su velocidad.
Finalmente "de acción" indica que la caída de presión del fluido y su consiguiente aumento de velocidad, tiene lugar en el estator, es decir, en las toberas. Por tanto, el fluido pasa a través del rotor a una presión casi constante, produciéndose solamente un cambio en su velocidad.
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Aplicación de la Primera ley de la Termodinámica
El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y calor.
Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que
q = h2 - h1 + w
En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse.
Por consiguiente w = h1 - h2
Expansión isentrópica
La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico (entropía constante).
Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar la transferencia ideal de trabajo.
Rendimiento isentrópico
Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía disponible.
Rendimiento global
Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:
- Fricción del fluido en el estator (toberas).
- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).
- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.
- Fricción entre el rotor y el fluido.
- Pérdidas por ventilación.
- Energía cinética rechazada en el rotor.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente transferencia de calor a la caja.
Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.
Material:
DESCRIPCION
Unidad de sobremesa que aloja una turbina de acción de flujo axial monoexpansiva que opera a base de aire. Lleva instalado un dinamómetro y todos los controles e instrumentos necesarios para evaluar el funcionamiento y rendimiento de la turbina.
Turbina
De acción monoexpansiva y flujo axial, velocidad hasta 50.000 r.p.m., potencia aproximada 50 W a 25.000 r.p.m. con aire a 60 kN/m2 .
PRECAUCIONES
- Al igual que cualquier máquina de alta velocidad, la turbina debe tratarse y utilizarse con sumo cuidado. Si se producen ruidos o vibración inusual, debe cerrarse inmediatamente la válvula de admisión.
- La velocidad continua máxima de la turbina es de 40.000 rpm, si bien puede funcionar a 50.000 rpm durante un breve periodo de tiempo.
- Con la turbina parada, puede retirarse la caja de escape para examinar detenidamente la turbina. Siempre que la turbina esté en funcionamiento la caja de escape ha de estar cerrada.
Ejemplo de una turbina de gas
Consideremos por ejemplo la turbina que se muestra en la figura (19). La turbina está diseñada para producir cerca de 84.000 libras-fuerza de empuje en el despegue. La turbina es de doble tobera como se muestra en la figura. Los alabes y el compresor de presión baja se mantienen en operación por la turbina de presión baja. El compresor de alta presión se mantiene en operación por la turbina de alta presión. Deseamos encontrar el trabajo total del eje necesario para mantener en operación el sistema de compresión.
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Figure 19: Turbina Pratt and Whitney 4084
razón de presión total a través de los alabes
razón de presión total a través de los alabes el compresor
Definimos nuestro volumen del control para abarcar el sistema desde la parte frontal de los alabes hasta el compresor de alta presión con el eje de transmisión que pasa a través del volumen de control Si suponemos que la transferencia de calor debido al flujo de gas es despreciable, escribimos la primera ley (ecuación de la energía del flujo constante) como:
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
en este problema debemos considerar dos flujos, el flujo en los alabes y el flujo interior de la
turbina
Obtenemos el cambio de temperatura suponiendo un proceso de compresión cuasiestático y adiabático tal que
entonces, podemos conocer
sustituyendo dichos valores en la ecuación antedicha, junto con el valor de obtenemos que
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
el signo negativo implica trabajo realizado sobre el fluido
OBSERVACION:
CONCLUSION
El modelo matemático generalizado permite determinar la fuerza de torsión en función de la longitud del brazo L1, el número N de aspas y la velocidad angular w.
Los álabes de la turbina utilizados en este trabajo tienen dimensiones y perfiles rectangulares fijos. Esto sin embargo no limita el alcance de la investigación puesto que cualquier perfil fijo tiene sus propios parámetros y define un valor único de Kp.
APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
COMPRESOR
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INTRODUCCION
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.
UTILIZACION
Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:
Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.
Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton. Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y
hacen posible su funcionamiento. se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales
mueven fábricas completas.
TIPOS DE COMPRESORES
Clasificación según el método de intercambio de energía:
Sistema Pendular Taurozzi Reciprocantes o Alternativos: utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los
motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas gracias a un motor eléctrico incorporado. Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser del tipo hermético monofásico, común en refrigeradores domésticos. O de mayores capacidades (monofásicas y trifásicas) de varios cilindros que permiten mantención/reparación. Su uso ha disminuido en el último tiempo y ha cedido lugar al compresor de tornillo que tiene mejores prestaciones.
de Espiral (Orbital, Scroll)
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Rotativo-Helicoidal (Tornillo, Screw): la compresión del gas se hace de manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y costo hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente.
Rotodinámicos o Turbomáquinas: Utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se clasifican en:
o Axiales o Radiales
ANALISIS DE LA COMPRENSION DE UN GAS
Imaginemos que en el cilindro de la figura anexa tenemos un volumen de un gas ideal y está "tapado" por un pistón que es capaz de deslizar verticalmente sin fricción. En un principio este sistema se encuentra en equilibrio con el exterior, 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) es igual a la presión que ejerce el peso del pistón sobre el gas , y más ninguna otra fuerza obra sobre nuestro sistema.
Ahora imaginemos que repentinamente aumentamos la presión externa a y como la presión que ejerce el gas sobre el pistón es:
El equilibrio se romperá y el cilindro deslizará hacia abajo ejerciendo un trabajo:
COMPRENSION REVERSIBLE PARA UN GAS IDEAL
Esta forma de compresión es una secuencia de infinitas etapas, o estados, de equilibrio que se conoce como movimiento cuasi-estatico, en los que siempre se cumple que la presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente es igual a la presión que ejerce el pistón sobre el gas
.
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REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica.
Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica.
Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
Diagrama Ph de sistema frigorífico de compresión mecánica y expansión directa de una etapa
Otra modalidad de evaporación del refrigerante correponde a un arreglo que permite realizar la vaporización del refrigerante a la salida del evaporador, dando una mayor superficie efectiva a este intercambiador al mantenerlo lleno de líquido y, por consecuente, un mayor rendimiento. No obstante lo anterior no es posible de realizar en todo tipo de sistemas de refrigeración ya que requiere de voluminosas instalaciones anexas y sistemas de bombeo para alimentar a los denominados evaporadores inundados, utilizados generalmente en plantas frigoríficas o cámaras de refrigeración industriales.
Es así como la máquina frigorífica de refrigeración por compresión desplaza la energía entre dos focos; creando zonas de alta y baja presión confinadas en intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de energía se suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de estado; de líquido a vapor, y viceversa.
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APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN COMPRESOR
Un compresor succiona aire del medio ambiente a una presión absoluta de 100 kPa y 27 ºC. La presión del aire del lado de la descarga del compresor es de 400 kPa y su temperatura de 197 ºC. La velocidad del aire del lado de la succión (entrada) del compresor es prácticamente despreciable, mientras que la velocidad del aire del lado de la descarga (salida) es de 90 m/s. El flujo de masa del aire que circula a través del compresor es de 1,000 kg/min. El compresor opera en condiciones adiabáticas. Determine la potencia del compresor, (kJ/s).
Balance (de primera ley)
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CONCLUSIÓN
El trabajo a dejado en claro las aplicaciones de la termodinámica en dicho equipo y la relación que se
da de PV y TS en la cual al incrementar los valores de presión y temperatura, el valor del rendimiento
aumenta como consecuencia del equilibrio termodinámico.
APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
INTERCAMBIADOR DE CALOR
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
INTRODUCCION
El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de procesamiento químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos especiales, etc.
En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica.
En las calderas y los condensadores, es de fundamental importancia la transferencia de calor por ebullición y condensación.
En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de enfriamiento, el flujo caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola directamente con el fluido frío (es decir, el aire) o sea que el agua se enfría por convección y vaporización al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro) inducida de aire.
En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor sobrante, transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y conducción a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas.
Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categorías importantes:
REGENERADORES
Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy importante en este dispositivo.
Las propiedades del material superficial, junto con las propiedades de flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o diseñar los regeneradores.
INTERCAMBIADORES DE TIPO ABIERTO
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto son dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.
Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una sola.
El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan ecuaciones de relación para el análisis o diseño de este tipo de intercambiador.
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no tienen contacto entre sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están separadas entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por estar involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia, la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido más cliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde la superficie sólida al fluido más frío.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en: clasificación por la distribución de flujo. Tenemos cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo.
En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo.
En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
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Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son:
Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura elevada.
Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.
Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido-líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor.
Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él.
Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.
Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por convección forzada.
En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación.
En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre.
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El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluya directamente hacia dentro.
Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación.
Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en vehículos aerospaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes.
Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.
Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad.
La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.
Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aún así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables.
Regeneradores: En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor.
En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas.
Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos
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y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la velocidad de rotación.
EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR.
La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.
A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor capacidad mediante c.
En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite conforme el área se aproxima al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto.
Para dichos cálculos se encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferencia de calor lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.
APLICACIONES
Se desarrollo el procedimiento del cálculo térmico y mecánico de precalentadores de aire en base de
termosifones aletados bimetálicos.
Los precalentadores de aire incrementan la eficiencia de las calderas de un 5 a un 7% lo que trae
consigo una disminución en la emisión de gases contaminantes al medio ambiente. El beneficio
económico de su implementación, por ejemplo, en los precalentadores de aire de una caldera industrial
CB-250 que usa gas natural, es de 0.4 dólares por tonelada de vapor producida.
El consumo de metal de los intercambiadores de calor basados en termosifones aletados es de 5 a 7
veces menor, que en los intercambiadores de calor tradicionales del tipo gas-gas.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA EN INTERCAMBIADORES DE CALOR
Es un equipo en el cual circulan por circuitos independientes diferentes fluidos. Como cada fluido ingresa con un estado térmico distinto, se produce entre ellos una transferencia de calor. Debido a que los fluidos no se mezclan, las presiones de cada rama no tienen por que ser iguales. El intercambiador de calor funciona en régimen permanente y es adiabático. El balance de energías es similar al de la cámara de mezcla:
Las entalpías entrantes a los sistemas deben ser iguales a las entalpías salientes:
CONCLUSION
Para una descripción de los fenómenos termodinámicos de un intercambiador de calor, es necesaria una definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor, presion, entalpia y energía interna, etc. Para entender el concepto de temperatura es útil definir dos frases usadas con frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico. Para determinar una relacion con la primera ley de la termodinamica.
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TERMODINAMICA I Aplicación de la primera ley de la termodinámica en equipos
Conclusión General
Aplicación de la primera ley de la Termodinámica en la Turbina, Compresor y Intercambiador de Calor
Nosotros creemos que la mejor conclusión que se puede sacar de un trabajo como este es que la fuerza
está presente en nuestras vida diaria y en las relevancias que tienen en la tecnología mecánica .
Además con este trabajo nosotros pudimos aprender mejor, la aplicación de la primera ley de la
termodinámica, desde el concepto mismo hasta como medirlas, y exactamente de que maneras se
efectúan en los equipos , hasta en las cosas mas simples. Gracias a la elaboración de este informe,
ahora nosotros conocemos algunas de las teorías que han habido a lo lago de la humanidad acerca de
la termodinamica, y de esta manera conocer y aprender concretamente cuales son las teorías acerca de
las leyes de la termodinámica vigentes hoy en día.
BIBLIOGRAFIA:
1. ↑ Clausius, R. (1850) «Über die bewegende Kraft der Wärme» Annalen der Physik und Chemie. Vol. 79. pp. 368-397, 500-524.
2. ↑ Thomson, W. (Lord Kelvin) (1851) «On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule’s Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s
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