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TERMODINAMICA Ciencia de la energía que estudia los procesos que convierten CALOR en POTENCIA THERMOS : CALOR DYNAMICS: POTENCIA Motores de autos y aviones.

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1 TERMODINAMICA Ciencia de la energía que estudia los procesos que convierten CALOR en POTENCIA THERMOS : CALOR DYNAMICS: POTENCIA Motores de autos y aviones Centrales Térmicas Cuerpo Humano Máquinas Térmicas:

2 Energía Térmica La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. El término calor está relacionado con la transmisión de la energía térmica, la cual ocurre desde el punto de mayor temperatura al de menor temperatura. UNIDAD DE CALOR = JULIO en el SI Calor

3 Hielo Hielo + agua Agua Agua + vapor Vapor T(°C) A B C D E Temperatura (vs) Energía Térmica Adicionada ( Para 1 gramo de agua) Energía

4 Absorbe energía térmica Q c de un depósito caliente, libera la energía térmica Q f al depósito frío y efectúa un trabajo W. Una máquina térmica lleva a cierta sustancia de trabajo a través de un proceso de un ciclo durante el cual: La energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura. La máquina realiza trabajo. La máquina expulsa energía térmica de desecho a una fuente de menor temperatura. MAQUINA TERMICA

5 Q entrada T 1 alta T 2 baja Q salida W MAQUINA TERMICA Convierte CALOR en TRABAJO Motor de Stirling

6 LEY DEL GAS IDEAL PoPo P1P1 ToTo T1T1 VoVo V1V1 V o P o T 1 = V 1 P 1 T o ANTES DESPUES Para una cantidad Constante de GAS: (presión) (temperatura) (volumen) O VP/T = cte

7 LEY DE BOYLE (Proceso Isotérmico) V 1 / P Para Temperatura Constante

8 LEY DE CHARLES (Proceso Isobárico) Para Presión Constante : V T V T

9 LEY DE GAY LUSSAC (isométrico) PoPo ToTo P1P1 T1T1 ANTES DESPUES Para Volumen Constante: Si la Temperatura Aumenta, la Presión aumenta en forma proporcional P T P T

10 TURBINA DE VAPOR Volumen de Control Vapor de Entrada Vapor de Salida ToTo T1T1 PoPo P1P1 Si T 1 > V o P 1 << P o y habrá un mayor SALTO de Presión W : Trabajo VoVo V1V1

11 DIAGRAMA P - V P Curvas a Temperatura Constante Vapor Saturado

12 ciclos de vapor Ciclo abierto: el típico ciclo sin condensación, propio de la máquina de vapor. Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye sobrecalentamiento de vapor. Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce el sobrecalentamiento de vapor.

13 El Vapor como Fluido Termodinámico: El uso de vapor se justifica porque: Es abundante y barato de producir. Transporta gran cantidad de energía por unidad de masa.

14 1. CICLO DE VAPOR ABIERTO Ejemplo: Locomotora Un depósito contiene agua para la caldera (1). La bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión). En la caldera el agua ebulle, formando vapor. De la caldera sale vapor saturado (3). El vapor, a presión es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W y es expulsado a la atmósfera. Q

15 Entra agua líquida Sale Vapor CICLO DE VAPOR ABIERTO Diagrama P-V para m : Q Compresión (Bomba) Calentamiento (Caldera) Expansión + Trabajo (Turbina o Pistón) Fuente FRIA: Temperatura ambiente m m

16 2. CICLO de RANKINE (CICLO CERRADO) El ciclo de Rankine introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble: Desde el punto de vista termodinámico, al bajar la temperatura de la fuente fría, se mejora la eficiencia del ciclo. Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

17 CONDENSADOR Condensador de tubos y Carcaza La carcaza es el cilindro exterior. El agua de refrigeración entra por la derecha, se reparte por el haz de tubos al interior y sale por la izquierda. El vapor condensa al exterior de los tubos y gotea al fondo de la carcaza, donde es recolectado.

18 CICLO DE RANKINE La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura, estado (3) y comprime el agua inyectando este condensado a la caldera (4). En la caldera se calienta alcanzando la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce a la turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (2). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta y se extrae (3) prácticamente como líquido.

19 Compresión (Bomba) Calentamiento (Caldera) Expansión + Trabajo (Turbina) Condensación (Condensador) CICLO DE RANKINE m

20 Inconveniente: Si se aumenta la temperatura de la Caldera (aumenta la Presión), la descarga de la máquina se corre hacia La izquierda y sale más vapor con agua líquida. P caldera mayor = mayor temperatura

21 3. CICLO de HIRN (CICLO CERRADO) Es similar al Rankine. introduce el sobrecalentador para aumentar la temperatura del vapor para evitar que en la turbina haya vapor mas liquido lo que produce cavitación y desgaste. El efecto es doble: Desde el punto de vista termodinámico, al aumentar la temperatura de la fuente caliente, se mejora la eficiencia del ciclo, sin riesgo de tener más líquido en la turbina. Desde el punto de vista mecánico, la presión en el sobrecalentador es superior a la de la caldera, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, aumentando el trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

22 La bomba comprime el agua hasta la presión de la caldera (5). En la caldera primero se calienta, alcanzando la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor aumenta su temperatura hasta salir como vapor sobrecalentado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva a la turbina. Allí realiza trabajo (W). El vapor que descarga la máquina (3) entra al condensador donde se convierte en agua. El condensado se recolecta en (4) en forma de líquido. CICLO DE HIRN

23 Compresión (Bomba) Calentamiento (Caldera) Expansión + Trabajo (Turbina) Condensación (Condensador) Sobrecalentamiento CICLO DE HIRN

24 4. CICLO de HIRN con 2 Sobrecalentamientos El ciclo de Hirn con 2 sobrecalentadores se utiliza en centrales térmicas de gran potencia.

25 Vapor RODETE DE LA TURBINA DE VAPOR

26 TURBINA DE VAPOR

27 ESQUEMA GENERAL DE UNA CENTRAL TERMICA


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