Story Transcript
INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN
TERMODINÁMICA TERMODINÁMICA DORY CANO DÍAZ MSc. MSc. Ingeniero Civil Mecá Mecánico Junio de 2007
UNIDAD 1: Conceptos básicos y Primera Ley de la Termodinámica 2.1.- Conceptos de Energía, Calor, Trabajo, Temperatura, Presión, Energía Interna, Entalpía 2.2.- Definición de la Primera Ley: Aplicación en Vapores y Gases en sistemas abiertos o cerrados 2.3.- Gases Ideales: Ecuación de estado de GI. Primera Ley: Aplicación de GI en sistemas abiertos o cerrados UNIDAD 2: Ciclos ideales y reales con optimizaciones 2.1.- Ciclos de Potencia de Vapor 2.2.- Ciclos de Potencia de Gas
UNIDAD 3: Mezclas de Gases y Psicometría 3.1.- Mezclas de gases y composiciones 3.2.- Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire UNIDAD 4: Combustión 4.1.- Definiciones, reacciones químicas, Procesos de combustión teóricos y reales, entalpías de formación, etc.
1
BIBLIOGRAFÍA:
• TERMODINÁMICA, Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A . Editorial McGraw-Hill
• FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA, Moran, M. J. · Shapiro, H. N Editorial: Editorial Reverté, S.A. ( Barcelona)
Segunda Ley de la Termodinámica Que principios deben cumplirse para que ocurra un proceso? Satisfacer la 1°LT Ppo de conservación de energía (Sist. Cerrados y Sist. Abiertos) Satisfacer la 2°LT Determinar nivel de degradación de la Energía de un proceso Dirección de los procesos Afirma la existencia de calidad de la energía Útil en la determinación de los límites teóricos de funcionamiento de sistemas W W Q
Q
2
Segunda Ley de la Termodinámica Las MT están compuestos de los sgtes subsistemas: 1) Máquina Sistema cerrado a través del cual un fluido describe un proceso Cíclico Fluido al y desde el cual se realiza el procesoFluido de trabajo
2) Focos Fuente-Sumidero Todas se caracterizan por: 1.1.- Recibir calor de fuente a alta T° TH 2.2.- Convertir parte de este Q en W 3.3.- Liberan Calor a fuente de baja T° TL 4.4.- Operan en Ciclo
Segunda Ley de la Termodinámica
Central Té Térmica a Vapor ó Gas
Refrigeradores y BBS de Calor
3
Segunda Ley de la Termodinámica Kelvin-Planck
Clausius
Segunda Ley de la Termodinámica Conceptos a dominar e incluir en nuestro lenguaje técnico-termodinámico:
•Procesos Reversibles e Irreversibles •Depósitos de Energía Térmica •Maquinas Térmicas: Ciclos de Potencia •Rendimiento o Eficiencia •Eficacia
La importancia de conocer la evolució evolución de los procesos irreversibles en el contexto de los sistemas de producció producción y/o transferencia de energí energía radica en la posibilidad de optimizar los procesos involucrados reduciendo a un mí mínimo la energí energía disipada de acuerdo con las restricciones fí físicas. sicas
4
Segunda Ley de la Termodinámica Obs : P. R. regreso a estado inicial sin variación P.I. Regreso implica pérdidas , por lo tanto, no regresa a estado original
Modelos ‘IDEALES IDEALES’ sirven para comparar procesos ‘REALES REALES’ Producción de Trabajo Entregan + Trabajo Consumen Trabajo Requieren
- Trabajo
Mientras más cerca de un proceso reversible mayor será el trabajo entregado por un dispositivo productor de W o tanto menor el trabajo requerido por un dispositivo consumidor de W
Segunda Ley de la Termodinámica Central Té Térmica a Vapor Variables : Qen: Cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera de fuente de alta T° (TH ó Tc) Qsal: Cantidad de calor liberado desde el vapor en el condensador en sumidero de baja T° (TL ó Tf) Wsal: Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina Wen: Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera
5
Segunda Ley de la Termodinámica Wsalida Volumen de control Masa de control Wsalida
Turbina Qentrada
G
Generador
Qentrada
Condensador Caldera
Bomba
Wentrada
Segunda Ley de la Termodinámica Refrigeradores y BBS de Calor Variables : QL: Magnitud del Calor extraído del espacio refrigerado a TL QH: Magnitud del Calor liberado al ambiente a temperatura TH Wneto,en: Entrada de trabajo neto al refrigerador
6
Segunda Ley de la Termodinámica • Refrigeració Refrigeración
Qsalida
Condensador
Válvula de Expansió Expansión
Compresor
Wentrada
Evaporador
Qentrada
Eficiencia Té Térmica:
Fracción de la entrada de Calor (Qentrada= Qc=QH) que se convierte en Salida de Trabajo ó Potencia (Wneto) Rendimiento: Salida deseada / Entrada requerida
Qsalida = Qf=QL : Siempre ≠ 0 rendimiento NUNCA es del 100%
7
Segunda Ley de la Termodinámica
Conceptos bá básicos de refrigeradores y Bombas de Calor
8
Unidad 4: Segunda Ley de la Termodinámica 4.1.4.4.1.4.- Conceptos bá básicos de refrigeradores y Bombas de Calor
9
4.1.6.4.1.6.- El Ciclo de Carnot MT que opera en un Ciclo de Carnot se llama: Máquina térmica de Carnot --> 4 procesos reversibles (2 isotérmicos y 2 adiabáticos)
Proceso 11-2: Expansión isotérmica reversible (QH y TH=cte) Proceso 22-3: Expansión adiabática reversible ( Q=0 y TH-->TL) Proceso 33-4: Compresión isotérmica reversible (QL y TL=cte) Proceso 44-1: Compresión adiabática reversible ( Q=0 y TL-->TH)
El Ciclo de Carnot
10
Los Principios de Carnot
Los Principios de Carnot
A considerar:
• El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, irrealizable en la práctica, pero usado como comparación de otros ciclos.
• Por ser totalmente reversible es el de máximo rendimiento entre dos focos dados (1° Corolario) • Por ser totalmente reversible tiene siempre el mismo rendimiento entre dos focos (independiente del tamaño, tipo de fluido, etc.) (2° Corolario)
11
Diferencias conceptuales entre la eficiencia té térmica y la eficiencia de la segunda ley
• Eficiencia de la Primera Ley: (ó eficiencia térmica) NO hace referencia al mejor rendimiento posible no entrega una visión correcta de eficiencia. (Fracción de calor que se convierte en trabajo)
•
Eficiencia de la Segunda Ley: (ó eficacia)
Entrega una medida del desempeño de una máquina térmica, de cuanto se puede aprovechar la energía disponible
= Razón entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica máxima obtenible en las mismas condiciones (eficiencia de Carnot)
Diferencias conceptuales entre la eficiencia té térmica y la eficiencia de la segunda ley
600K
W
A
1000K
B
300K
300K ηt,A= 30%
W
ηt,B= 30%
Qué máquina tiene mayor potencial de trabajo? Cual tiene un mejor desempeño?
12
Qué Qué es la entropí entropía? Del Primer Principio de la Termodinámica , 1°PT Energí Energía Del Segundo Principio de la Termodinámica , 2°PT Entropí Entropía ENTROPÍ ENTROPÍA : Propiedad Termodinámica que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la medida del desorden de un sistema La CANTIDAD de energí energía siempre se preserva durante un proceso real (1° (1°LT) LT) pero la CALIDAD está á condenada a disminuir (2° ° LT). ). est (2 LT La reducció reducción de la CALIDAD está está acompañ acompañada de un aumento de ENTROPÍ ENTROPÍA
Qué Qué es la entropí entropía? 1) La entropí entropía puede ser vista como una medida del desorden molecular o aleatoriedad molecular. Conforme un sistema se vuelve más desordenado, desordenado, las posiciones de las molé moléculas son menos predecibles AUMENTA LA ENTROPÍA Entropí Entropía fase só sólida < entropí entropía fase gaseosa 2) La entropí entropía puede ser vista como una medida de las Irreversibilidades RELACIÓN ENTRE AUMENTO DE ENTROPÍA Y PROCESOS IRREVERSIBLES NO ES CASUAL, SINO QUE SURGE DE UN TEOREMA GENERAL QUE ESTABLECE QUE
LA VARIACIÓ VARIACIÓN TOTAL DE ENTROPÍ ENTROPÍA (incluye sistema y entorno) ES POSITIVA EN TODOS LOS PROCESOS IRREVERSIBLES
13
Diagramas de propiedades que incluyen a la entropí entropía
Diagramas de propiedades que incluyen a la entropí entropía
El diagrama de Mollier es una representación de las propiedades del agua y vapor de agua. Se usa un sistema principal de coordenadas H-S
(Entalpía-Entropía).
14
Calor en procesos internamente reversibles: Por definición la entropía se transfiere solo con procesos de transferencia de calor
Las relaciones Tds
Definición de Segunda Ley
15
Las relaciones Tds
El cambio de entropí entropía de gases ideales
16
El cambio de entropí entropía en sustancias incompresibles
Procesos isentró isentrópicos de gases ideales
1.- Suponiendo GI, Cp y Cv promedio:
UN PROCESO ES ISENTRÓPICO (S2=S1) SI Y SÓLO SI ES ADIABÁTICO E IRREVERSIBLE
17
Segunda Ley de la Termodinámica
Segunda Ley de la Termodinámica
18
Eficiencias isentró isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Eficiencias isentró isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Turbinas – Compresores – Toberas - Difusores
19
Eficiencias isentró isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Eficiencias isentró isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
20
Trabajo de flujo permanente reversible Minimizació Minimización del trabajo del compresor
w = q + (h1-h2) + (v1^2-v2^2)/2 + g(Z1-Z2)
[kJ/kg]
w = ∫ Tds + (h1 − h2 ) +
(v12 − v22 ) + g (Z1 − Z 2 ) 2
Tds = dh − vdP
,de las relaciones Tds de Gibbs
∫ Tds = h1 − h2 − ∫ vdP
,aplicando segunda ley
,integrando
Trabajo de flujo permanente reversible Minimizació Minimización del trabajo del compresor
∆ec ~ ∆ep ~ 0
A mayor volumen específico (v (m3/kg) ) mayor Trabajo Reversible (Wrev producido o consumido)
21
Por tanto se busca: Entrada de W (compresión) v lo más pequeño posible Salida de W (expansión) v lo más grande posible El W de entrada de un compresor se minimiza cuando el proceso se realiza reversiblemente Posibilidades: 1) Aprox a proceso rev minimizar I, cuasiestático, etc. 2) Forma más práctica mantener v al mínimo posible durante compresión => disminuir T° (vgas α v(T))
Procesos Politró Politrópicos de Compresió Compresión :
Para cualquier gas : w=
−n ( P2 v2 − P1v1 ) __________ __ ∀n ≠ 1 ____( a ) n +1
(1) Si consideram os ahora GI, se tiene, Pv = RT :
w= Pvn = Cte
− nR (T2 − T1 ) __________ __ ∀n ≠ 1 ____( b) n +1
(2)
Consideran do que para un proceso politrópic o : Reemplazando (2) en (1) se tiene expresión (a)
T2 P2 = T1 P1
n −1 n
n −1 − nRT1 P 2 n w= − 1 n − 1 P1
22
Procesos isoté isotérmico de Compresió Compresión :
(1)
Pvn = Cte
(2)
Ahora consideran do n = 1 donde pv 1 = cte para cualquier gas : w = − P1v1 ln( P2 / P1 ) _________ para n = 1 ____( c ) Si consideram os ahora GI, se tiene, Pv = RT : w = − RT1 ln( P2 / P1 ) _________ para n = 1 ____( d )
-
23
El trabajo es el área limitada entre el eje P y la curva respectiva. El área más pequeña en el diagrama P-v, corresponde al consumo mínimo de trabajo, es el proceso de compresión isoterma (1–2b), mientras que la compresión adiabática (1–2a) es la que consume más trabajo. Por tanto, es deseable refrigerar el gas durante la compresión, de modo que su temperatura de salida sea lo más baja posible, para reducir el consumo de trabajo.
24
Compresión en etapas: Es habitual dividir la compresión en varias etapas; cuanto mayor es la relación de presiones, son necesarias más etapas. Entre etapa y etapa, el gas se somete a un enfriamiento con un fluido refrigerante, normalmente agua o aire, hasta que recupera la temperatura ambiente.
•En teoría el enfriamiento sucede a P=cte y el gas se enfría hasta la temperatura inicial T1 en cada enfriador. •Este método es muy conveniente cuando el gas se comprime a altas P •W ahorrado depende de Pi (presiones intermedias) .
Ciclos de Potencia de Vapor Centrales termoeléctricas clásicas : Se denominan centrales clásicas a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (fuel oil) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas, las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que actualmente estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental. Componentes principales •Caldera de combustión •Turbina (vapor o gas) •Generador •Sistema de refrigeración (puede ser de caudal abierto o mediante torres de refrigeración) •Instalaciones de control
Que ventajas y desventajas tiene usar vapor en los ciclos?
25
Teoría de combustión
P1 y P2
Procesos de Psicrometría
26
2
1
4
3
27
Rendimientos isentrópicos en turbina y bomba:
28
29
30
31
32
33
34
35
36
Tarea: 1. Objetivo siempre es mejorar el rendimiento, porque?
2.Rendimiento de Centrales Té Térmicas Vapor, Gas y GasGas-Vapor? 3. Investigar diferencias y/o ventajas comparativas entre Ciclos Turbina de Vapor y de Gas. (Temperatura de entrada de fluido, presiones de trabajo, temperatura de salida de fluido, potencias, costos de instalació instalación, rendimientos, etc) etc) 4. Tipo, ubicació ubicación y potencia de centrales té térmicas en Chile.
37