TERMODINÁMICA AVANZADA

Contenido TERMODINÁMICA AVANZADA ! ! ! Unidad I: Propiedades y Leyes de la Termodinámica ! ! ! Efecto de Joule-Thomson ! Volumen de control ! !

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Contenido

TERMODINÁMICA AVANZADA

! ! !

Unidad I: Propiedades y Leyes de la Termodinámica

! ! !

Efecto de Joule-Thomson ! Volumen de control !

!

Efecto de Joule-Thomson: Estrangulamiento Volumen de Control Equipos procesos más frecuentes Balance de masa Balance de energía Proceso en estado y flujo estables (EFE) Proceso en estado y flujo uniformes (EFU)

8/14/10

Efecto de Joule-Thomson

Rafael Gamero

Efecto de Joule-Thomson U1

Experimento de Joule-Thomson Considérese un sistema consistente en un sector tubular dividido en dos por un tabique poroso y provisto de dos émbolos opuestos. PA > P B

PA , T A , U A

V1

! V2 U1

W = WA + WB

WB

Rafael Gamero

Q=0

U2

PA , T A

U=U(T)

WA

8/14/10

WA

PB, TB , UB

TA> TB

2

3

!

!

WB

PB, TB

Q=0

8/14/10

U2

V1

Rafael Gamero

V2

4

Efecto de Joule-Thomson

Efecto de Joule-Thomson

Experimento de Joule-Thomson

Experimento de Joule-Thomson

"U = Q + W

Q=0

W = "P (V2 " V1 ) !

!

"P (V2 " V1 ) A " P (V2 " V1 ) B = (U 2 " U1 ) A + (U 2 " U1 ) B

"U = W W = WA + WB

!

"U = "U A + "U B

8/14/10

U A + PAVA = U B + PBVB

Característico de los procesos irreversibles de expansión

!

"P (V2 " V1 ) A " P (V2 " V1 ) B = (U 2 " U1 ) A + (U 2 " U1 ) B !

!

Proceso isentálpico:

!

"U A + "U B = W A + W B !

!

PAVA " PBVB = "U A + U B

Rafael Gamero

HA = HB

H = cte

"H = 0

! 5

8/14/10

Rafael Gamero

!

!

!

6

!

Efecto de Joule-Thomson

Efecto de Joule-Thomson

Diferencial total de entalpía

Diferencial total de entalpía

El diferencial total de la entalpía describe la variación de esa propiedad con la temperatura y la presión.

Si en un proceso de estrangulamiento la entalpía es constante:

"H = 0

(

)

f H,P,T = 0

H = H (T,P )

8/14/10

Rafael Gamero

#" H & #" H & % ! ( dT + % ( dP = 0 $ "T ' P $ "P 'T

!

#"H & #"H & dH = % dT + % ( ( dP $ "!T ' P $ "P 'T

!

dH = 0

µJ 7

Coeficiente de Joule-Thomson

8/14/10

!

Rafael Gamero

!

! !

#" H & % ( # "T & $ "P 'T = µJ % ( =) #" H & $ "P ' H % ( $ "T ' P 8

Efecto de Joule-Thomson

Efecto de Joule-Thomson

Coeficiente de Joule-Thomson

Coeficiente de Joule-Thomson

Un coeficiente de Joule-Thomson con signo positivo significa que la temperatura del fluido disminuye durante el estrangulamiento.

El estrangulamiento es un proceso de expansión irreversible cuando un fluido pasa por un paso restringido representado por el tabique del sistema mostrado inicialmente.

Un coeficiente de Joule-Thomson con signo negativo significa que la temperatura del fluido aumenta durante el estrangulamiento.

# "T & µJ = % ( $ "P ' H

Aproximación discreta, para usar e.g. la tabla termodinámica.

8/14/10

$T #T ' µJ " & 2 1 ) % P2 # P1 ( h

H = cte

Rafael Gamero

!

El proceso ocurre en el paso del fluido a través de válvulas de expansión.

9

8/14/10

H = cte Rafael Gamero

10

!

Volumen de Control

Equipos de Procesos

El sistema abierto

Equipos de transferencia de calor

Los sistemas se clasifican en cerrados y abiertos. también se denominan volumen de control. El estudio de efectos energéticos en procesos industriales se efectúan por volumen de control.

8/14/10

Calderas: Equipos de generación de vapor para transporte de energía

˙ s2 es2 m W˙

˙ m ! e1 ! ee1

Sistema abierto (volumen de control)

Estos últimos

!Q ˙ !

! Rafael ! Gamero !

!

!

m(t) E(t)

!

! ˙ e 2 e!e 2 m

˙ s1 m es1

La energía transportada mediante vapor puede ser utilizada para transferencia de calor o generación de potencia. 11

8/14/10

Rafael Gamero

12

Equipos de Procesos

Equipos de Procesos

Equipos de transferencia de calor

Equipos de transferencia de calor Interior de una caldera acuatubular o con agua en los tubos

En una planta industrial puede haber más de una caldera para generar el vapor requerido en los procesos térmicos.

Tubos con flujo de agua Gase de combustión entre los tubos Flama generada por atomización

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Batería de calderas acuatubulares (agua en los tubos) Rafael Gamero

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Equipos de Procesos

Rafael Gamero

14

Equipos de Procesos

Equipos de transferencia de calor

Equipos de transferencia de calor Batería de calderas pirotubulares

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Caldera pirotubular o de fuego en los tubos Rafael Gamero

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8/14/10

Rafael Gamero

16

Equipos de Procesos

Equipos de Procesos

Equipos de transferencia de calor

Equipos de transferencia de calor Corte de una caldera pirotubular

Válvula de seguridad

Funcionamiento de una calera Salida de vapor saturado

Vapor saturado Vapor sobrecalentado

Tambor de vapor

Coraza con agua

Agua en ebullición

Tubos con gases de combustión

Tubo descendente

Flama generada por combustión de combustible atomizado 8/14/10

Rafael Gamero

Tubos de agua Agua

Combustible 17

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Caldera acuatubular

Tambor de alimentación de agua Rafael Gamero

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Equipos de Procesos Equipos de generación de potencia

Condensadores:

Turbinas:

Transferencia de calor para condensar un vapor

Intercambiadores de calor:

Sobrecalentador

Quemador

Equipos de Procesos Equipos de transferencia de calor

Gas exhausto

Equipos de generación de potencia mediante la transformación de energía contenida en un vapor o gas a trabajo de árbol (movimiento giratorio).

Calentamiento o enfriamiento de un fluido

Condensador de tubo y coraza Intercambiador de tubo y coraza 8/14/10

Intercambiador de placas Rafael Gamero

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Turbina de gas

Detalle del eje y álabes de una turbina

Rafael Gamero

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Equipos de Procesos

Equipos de Procesos

Equipos de generación de potencia

Equipos de transporte de fluidos Una turbina industrial de vapor generalmente requiere vapor sobrecalentado, lo que garantiza un alto contenido energético capaz de generar potencia suficiente para realizar trabajo mecánico a gran escala.

8/14/10

Rafael Gamero

Instalaciones de una turbina de vapor de una planta de generación de energía eléctrica 21

Bombas: Equipos para mover un líquido aumentando la presión de flujo. Bomba centrífuga

8/14/10

Rafael Gamero

Equipos de Procesos

22

Equipos de Procesos

Equipos de transporte de fluidos

Equipos de almacenamiento de fluidos

Compresores:

Tanques:

Equipos para move un gas aumentando la presión de flujo.

Equipos para almacenamiento, transporte, o procesos de transferencia de masa con transferencia de calor por lotes (batch).

Compresor reciprocante

Tanque enchaquetado Compresor rotatorio 8/14/10

Rafael Gamero

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Tanque con serpentín

8/14/10

2

2 Rafael Gamero

24

Producción de Potencia

Producción de Potencia

Ciclo de potencia Rankine

Ciclo de potencia Rankine con reactor nuclear Generador de vapor

Turbina Generador

Agua de enfriamiento Condensador

Reactor 8/14/10

Rafael Gamero

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Bomba del condensado Bomba del agua de reacción

8/14/10

Equipos de Procesos

Rafael Gamero

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Equipos de Procesos

Simbología y condiciones para los equipos y dispositivos

Simbología y condiciones para los equipos y dispositivos

P = cte P = cte

2

1

2

Condensador

1 b

P = cte

W

P1>P2 Q=0

a

W

Q=0

2

P = cte 1

2

1

1

2

2

Intercambiador

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Evaporador Rafael Gamero

P1>P2

Turbina

Caldera 27

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1

Cilindro-pistón con flujo Rafael Gamero

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Equipos de Procesos

Equipos de Procesos

Simbología y condiciones para los equipos y dispositivos

2

Simbología y condiciones para los equipos y dispositivos Q=0

W

P1

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