ciclos termodinamicos - fap.if.usp.brfap.if.usp.br/~vvuolo/a - home - fisica/física do calor/textos...
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CICLOSTERMODINAMICOS
20112012
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CICLOTERMODINMICO
Esunprocesooconjuntosdeprocesosporlosqueunsistemaevolucionavolviendoal
mismoestadoinicial.
Paratodociclosecumpleque: WQU ;0
Cicloreversible:(todoslosestadossondeequilibrio).PuederepresentarseendiagramasPV,TS,
ElreadentrodelcicloenundiagramaPVrepresentaeltrabajoyenundiagramaTSelcalor
A
D
C
B
TC
Tc>TF
TF
Q1
Q2
TC
TF
C.Carnot
C.Carnot
-
Losciclostermodinmicospermiten:
a)
ConvertircalorentrabajoporinteraccincondosfocostrmicosMquinaso
motorestrmicos.Sedescribenensentidohorario
b)
Pasarcalordeunfocofroaotroamayortemperaturafrigorficosobombas
decalor.Sedescribenensentidoantihorario
Motor:1Motor:1
22
334 4 11
CiclohorarioCiclohorario
W>0W>0
Refrigeradorobombadecalor
14321
Cicloantihorario
W
-
MOTOROMAQUINATERMICA
Elcicloseutilizaparaconvertircalorentrabajo.Porello:
(W>0,sentidohorario
A
D
C
B
TC
Tc>TF
TF
Q1
Q2
1
C
util
C
FC
QW
QQQ
0;0 WQQQU FC
Carnot
AB
ExpansinisotrmicaU=0,Q1
=WAB
>0
BC
ExpansinadiabticaU=WBC
>0
CD CompresinisotermaU=0;Q2
=WCD
-
MAQUINAFRIGORIFICAYBOMBADECALOR
FC
F
FC
FFf TT
TQQ
QWQ
A
D
C
B
TC
Tc>TF
TF
Q1
Q2
Elfluidotomacalordelfocofrio
Elfluidocedecalordelfococaliente
0;0 WQQQU FC
1
FC
C
FC
CCbomba TT
TQQ
QWQ
Carnot
Inverso
-
PRINCIPAPALESCICLOS
DEPOTENCIA
Idealdecarnot
Rankine
Brayton
Stirling
DEREFRIGERACION
DeCarnotinverso
Refrigeracinporcompresin
Porabsorcin
-
CICLODEBRAYTON
Modelaelcomportamientoidealdeunaturbinaagas(normalmenteaire)
Aunqueesunciclodepotenciadecombustininternaabierto
(losgasesdesalidanose
reutilizannormalmente),esconveniente,paraelanlisistermodinmico,suponerquelos
gasesdeescapesonreutilizadosenelingreso,permitiendoelanlisiscomociclocerrado
http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY
Admision CombustionCompresion Turbina Escape
A CB D
ESQUEMADEFUNCIONAMIENTO
http://en.wikipedia.org/wiki/Open_system_(system_theory)http://personales.able.es/jgros/
-
1
21
QQQ
Q
QQQ
W
calientefoco
friofococalientefoco
absorbido
neto
Esunmotortrmicoqueproducetrabajoporintercambiodecalorcondosfocos
,trmicosa
distintatemperatura
Elrendimientovienedadopor:
REPRESENTACIONTERMODINAMICADELCICLO
CicloidealizadodeBrayton
-
Q1
Q2
ANALISISTERMODINAMICO
a)Procesosisobricos
CB pp
BBAA TpTp
11
DDCC TpTp
11
DA pp
B
C
A
D
TT
TT
Restandolaunidadacadamiembro
B
BC
A
AD
B
C
A
D
TTT
TTT
TT
TT
11
B
A
BC
AD
TT
TTTT
b)Procesosadiabticos
Isoentropicos
Yrecombinandotrminos
(1)
(2)
http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RA
-
Q1
Q2
BCpCB TTncQQ 1
DApAD TTncQQ 2
CALORNETOENELCICLO
ADDBpneto TTTTncQQQ 21
Elrendimientoenfuncindelastemperaturas
podr
expresarsecomo:
BC
AD
TTTT
QQQ
11
21
http://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related
-
http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY
TRABAJOENELCICLO
Q1
Q2
0 ABvBABA TTncUW
0 BCBCBCB TTnRVVpW
0 CDvDCDC TTncUW
0 DADAAAD TTnRVVpW
Eltrabajonetoenelciclo(positivo),seobtienesumando
lostrabajosdecadatramoyaplicandolarelacindeMayer
DABCpneto TTTTncW
Rcc vp
Comoeradeesperartrabajoycalornetocoinciden
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Rankine_cycle_Ts.png
-
http://www.youtube.com/watch?v=FbvXhafrbMY
1
11r
adiabaticoecoeficientcc
conv
p
ELRENDIMIENTOENFUNCINDELARAZNDECOMPRESINr
Q1
Q2
1
)2(111
B
A
B
A
BC
AD
pp
TT
TTTT
Definiendolarazndecompresinr
como:
1A
B
ppr
laecuacindelrendimientosetransformaen:
-
MEJORADELATURBINASIMPLE:REGENERACION
Elrendimientodelciclosemejorasipartedelosgasesdesalidaseintroducenenun
intercambiadorparaprecalentarelgasdeentradaalacmaradecombustin
ALTERNADORALTERNADOR
TURBINASIMPLE
TURBINACONREGENERADOR
Gasesde
salida
-
USOENAPLICACIONESSOLARES
CENTRALDEPOTENCIATERMOSOLAR
-
MOTORDESTIRLING
ElmotorStirling(1816)compiti
ensusiniciosconlamquinadevapor.Enlosltimosaos
hasuscitadodenuevointersporque:
Surendimientopuede,tericamente,alcanzarellmitemximodeCarnot.
Elfluidodetrabajooperaenunciclocerradoconfuentedecalorexterna.Estohaceque
estemotorsea,potencialmente,demuybajoniveldeemisiones.
Alutilizarunafuentedecalorexternaesadaptableaunagran
gamadefuentesdeenerga
calorfica(nuclear,solar,calordedesechodeprocesos,etc.)
Desventajas:
Elfluidodetrabajoesungasloqueacarreadificultadesoperativas.Engeneralseutilizael
hidrgenoyelhelioporsusbuenaspropiedadestermodinmicas.
-
AB:Compresinisoterma
delgasala
temperaturainferior,Tf.SecedecalorQ1,ala
fuentefraporabsorcindeltrabajomecnico
paralacompresin.
BC:Calentamientoisocrico.Elgasabsorbe
delcalor,Q2,aumentandosutemperaturahasta
Tcysupresin.
CD:Expansinisotermadelgasaalta
temperatura,Tc.ElgastomaelcalorQ3dela
fuentecalienteproduciendounacantidad
equivalentedetrabajo.
DA :Enfriamientoisocricohastala
temperaturadelfocofrio
Tf
porcesindelcalor
Q4.
REPRESENTACIONTERMODINAMICADELCICLO
AA
D
C
B
Q1
Q1
Q3
Q4
Tc
Tf
-
Seabsorbecalorenelcalentamientoisocricoyenlaexpansinisoterma,ysecedeenlos
otrosdosprocesos.
Calornetoabsorbido:
Calornetocedido
RENDIMIENTODELCICLO
Esterendimientoessiempremenorqueelmximoideal:
fCvB
AfCBBAc TTncV
VnRTQQQ ln
fCvB
AcADDCf TTncV
VnRTQQQ ln
Porloqueelrendimientoes:
fcvc
fcvf
c
f
TTcrRTTTcrRT
QQ
lnln
11A
B
B
A
pp
VVr con
Secumple:
c
f
TT
1max
0ln
2
max
fcvcc
fcv
TTcrRTTTTc
-
UnsistemaquerealizaelcicloStirlingest
formadoporuncilindro,unpistndetrabajoyun
pistndedesplazamientoconunregeneradordecalorquedividealsistemaendoszonas,una
zonacalienteaTc
yunazonafraaTf
.
DESCRIPCIONDELFUNCIONAMIENTO
Sevuelvealaposicininicialatravesandootravezelregenerador,peroestavezelgas
ceder
unacantidaddecalor,alregeneradorbajandosutemperaturahastaTf
1)Todoelgasest
enlapartefra
cilindroauna
temperaturaTf
y
ocupandoelmximo
volumen.
2)Durantela
compresinhastael
mnimovolumen,T=Tf
constanteysecede
caloralazonafra.
3)Elgashaatravesado
elregenerador
absorbiendocalorQrg
y
aumentandohastaTc
.
4)Expansindelgas
hastaelvolumen
mximoinicial
absorbiendocalordel
fococalienteTccon
produccindetrabajo.
(1)(4)(3)
(2)
-
IMPORTANTE:
Lo
que
hace
especial
al
ciclo
de
Stirling
es
la
presencia
de
un
intercambiador
de
calor(oregenerador).
Enelenfriamientodelgas,sepasadelatemperaturaTcaTf
liberandocalor.Enel
calentamiento,sepasadeTf
aTc,absorbiendocalor.Puestoque,tericamente,se
pasa
por
las
mismas
temperaturas
es
posible
aprovechar
el
calor
liberado
al
enfriarse
sin
violar
el
segundo
principio
de
la
termodinmica:
el
calor
que
se
va
liberandogradualmenteenunpuntodelenfriamientosecedealpuntoalamisma
temperatura
en
el
calentamiento.
Puesto
que
ambos
puntos
se
encuentran
a
la
mismatemperaturaelprocesoserareversible.
En
la
realidad
siempre
se
necesita
una
diferencia
de
temperaturas
para
la
transferencia,
pero
pueden
ser
lo
suficientemente
pequeas
como
para
que
el
rendimientorealseaproximebastantealmximoideal.
http://personales.able.es/jgros/http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RAhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related
Comofunciona?
http://personales.able.es/jgros/http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RAhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=duNNtU2uyi4&feature=related
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USOS EN APLICACIONES SOLARES:
DiscoStirlingcondiseo
propioAbengoaSolar
DiscoStirlingdelaplataforma
solardeAlmeria
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CICLODERANKINE
Elcalorsuministradoporunafuenteexternaseconvierteparcialmenteentrabajo
utilizandonormalmenteagua.Seaprovechalaentalpadecambiodefase.
-
12.Calentamientosensibleadiabticodellquido(Tf
Tc)porcompresin.Requiere
bombaocompresor.
23:Calentamientoisobricodellquidohastaconvertirloenvaporsaturado.
Requieredeunafuentedecalorexterna.(Vaporizacin)
34:Expansinadiabticadelvaporsaturadoenlaturbina,congeneracinde
potencia.Latemperaturaylapresinbajanyaparececondensacin.(Enfriamiento
sensibleTcTf
ydecambiodefaseporcondensacin)
41:Condensacinisotermadelvaporhastalasaturacin.Elvaporseconvierteen
lquidosaturado.
CICLODERANKINE:IDEAL
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Rankine_cycle_Ts.png
-
RENDIMIENTODELCILORANKINE
C
BombaTurbina
Q
WW
21 hhm
W Turbina
34 hhm
W bomba
41 hhm
QC
32 hhm
QF
-
CICLODERANKINE:REAL
Enuncicloreallacompresinenla
bombaylaexpansinenlaturbinano
sonisentrpicas,porloqueson
procesosnoreversiblesconaumento
deentropa
mayorconsumoenla
bombaymenorrendimientoglobal
Laeficienciadelaturbinasereduce
porlaformacindegotasnel
condensadoquealchocarcontralas
aletasdelaturbinareducensu
velocidad,laserosionayreducesu
vidadeuso.
Lasolucinmasfcilessobrecalentar
elvapor(procesos33)para
desplazareldiagramahacialaderecha
(34),porloqueseproduceun
vapormassecotraslaexpansin,lo
queevitaelgoteo
-
CICLODERANKINE:REALCONRECUPERADORDECALOR
Seintroduceenelciclounintercambiador
decalorporcontactodirecto(punto2del
ciclo),enelqueentranencontactopartedel
vaporquesaledelaturbinaconelfluidoque
hayenelcondensador(4),conloquese
consigueunlquidosaturadoauna
temperaturaintermedia(punto7).
Deestaformaseconsigueaumentarel
rendimientodelcicloaunqueseaumentala
complejidaddelainstalacinyconellolos
problemasligadosalmantenimiento,
Eselcicloquehabitualmenteseutilizaenlas
centralesdepotencia
DiagramaTSparaelvapor
-
CICLOSDEREFRIGERACION
1.
CiclodeCarnotinverso:cicloidealdescrito
porungas(nocondensable)FC
Ff TT
T
1
FC
Cbomba TT
TCOP
-
CICLODEJOULE(MAQUINASFRIGORFICASDEAIRE)
LasmquinasfrigorficasdeairefuncionansegnuncicloJoule.Aunquetienenunelevado
consumodeenergaseusanporlaseguridadquesuponeelutilizarairecomofluidoas
comopor
elpocopesodelasinstalaciones(compresoresrotativos).
12.CompresinadiabticaconaumentodeT.Requierecompresor.23:Enfriamientoisobricoconcesindecalor.34:Expansinadiabticaenturbinaomaquinadepistnoturbina.41:Calentamientoisobricoporabsorcindecalorporcontactoconfococaliente
1111
1
2
pp
TTTCOP
FC
C
-
CICLOREALDEREFRIGERACIONPORCOMPRESION
-
Larefrigeracin
porabsorcin
esunmediodeproducirfro
aprovechandolavariacindeentalpaasociadaalcambiodefaseLV
Elciclosebasafsicamenteen:
A)cambiodesolubilidadconlatemperatura:porejemploaguaNH3(el
NH3eselsoluto)
B)lacapacidaddealgunassustancias,comoelbromurodelitio
de
absorberotrasustancia agua
enfasedevapor.
CICLODEREFRIGERACIONPORABSORCION
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bromuro_de_litio&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_(estado)
-
Generador:LasolucinNH3H2Osellevaebullicin,poraportecalorficoexterno.El
fluidorefrigerante
NH3sevaporizayseseparadelagua(presinunos20bares)
Condensador:elvapordeNH3condensaporenfriamientoconaire
ambienteexterior
PRINCIPIODEOPERACINDEPORABSORCIN:NH3AGUA
Refrigerante
V.Expansin Absorbedor
CesinQaireexterior
Generador
Absorcindecalor
Evaporador:NH3lquidoseevaporaabajapresin(unos4bares)absorbiendocalordel
circuitodeutilizacin(Tprxima3
C).
Absorbedor:ElvapordeNH3esabsorbidoporelaguaprovenientedelaseparacin
amoniacoaguaqueseprodujoenelgenerador
-
generado
Extraido
Bombaexternafuente
friofocoExtraido
QQ
WQQ
COP
CICLONH3H2O
Elfluidoquesemuevee
intercambiacaloreselNH3.
Elaguaeslasustancia
absorbedora
Losciclostermodinmicos
sonlosinversosdeRnakine
oJoule
Precisadeunabombapara
llevarladisolucin
concentradaalevaporador
-
Elbromurodelitioesunasalhigroscpicacuyasalmueratienegranafinidadporel
vapordeaguaqueloabsorbedelairehmedo.
EsunciclosimilaraldeNH3AGUA,aunqueenestecasoelfluidoquedescribeel
ciclorefrigeranteeselagua.Elciclobsicoconstadelosmismoscuatroprocesos bsicos:absorcindevapordeagua,evaporacindevapordeagua,regeneraciny
condensacindevapordeagua.
Ventajas:
elabsorbenteesnovoltilporloquenoacompaaalvaporynose
necesitarectificador.
Inconvenientes:
elabsorbente,noesdeltodosolubleenelaguaparatodoslosvaloresdepresin
ytemperaturaquepuedendarseenelsistema(precaucionesparaevitarla cristalizacindelBromurodeLi),
porserelaguaelrefrigerante,laspresionesdeoperacinsubatmosfricas elbromurodelitioescorrosivo
CICLODEREFRIGERACIONPORABSORCION:BrLiH2O
CICLOS TERMODINAMICOSDiapositiva numero 2Diapositiva numero 3Diapositiva numero 4Diapositiva numero 5Diapositiva numero 6Diapositiva numero 7Diapositiva numero 8Diapositiva numero 9Diapositiva numero 10Diapositiva numero 11Diapositiva numero 12Diapositiva numero 13Diapositiva numero 14Diapositiva numero 15Diapositiva numero 16Diapositiva numero 17Diapositiva numero 18Diapositiva numero 19Diapositiva numero 20Diapositiva numero 21Diapositiva numero 22Diapositiva numero 23Diapositiva numero 24Diapositiva numero 25Diapositiva numero 26Diapositiva numero 27Diapositiva numero 28Diapositiva numero 29Diapositiva numero 30Diapositiva numero 31Diapositiva numero 32