MAQUINAS TÉRMICAS

5/13/2018 MAQUINAS T RMICAS - slidepdf.com

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MAQUINAS TÉRMICAS.

El trabajo puede convertirse fácilmente en formas de energía, pero para convertir la energía

en trabajo no es así de sencillo, para ello se requiere

de algunos dispositivos especiales llamados maquinas

térmicas. Las cuales se caracterizan por lo siguiente:

1. Reciben una fuente de calor de alta

temperatura (energía solar, hornos de petróleo,

reactores nucleares, etc.)

2. Convierten parte de este calor en trabajo

(normalmente en forma de un eje en rotación.)

3. Liberan el calor de desecho remanente en un

sumidero de baja temperatura (la atmosfera, los ríos,

etc.)

4. Operan en un ciclo.

Las maquinas térmicas y otros dispositivos suelen

incluir un fluido desde el cual se transfiere el calor

mientras se somete a un ciclo, este fluido recibe el nombre de fluido de trabajo.

El dispositivo productor de trabajo que mejor encaja en la definición de maquina térmica es la

central eléctrica de vapor, que es una maquina de combustión externa; el proceso de

combustión sucede fuera de la maquina, y la energía térmica liberada durante este proceso se

transfiere al vapor como calor.

Cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera de una fuente de alta temperatura

(horno).

Fuente de energía(como un horno)

Sumidero de energía(como la atmósferas)

Q en

Q sal

W neto,sal

caldera

turbina

condensador

bombaw en

Alta temperaturaFUENTE

MAQUINATÉRMICA

Baja temperaturaSUMIDERO

Q en

Q sal

W neto,sal



Cantidad de calor liberado del vapor en el condensador del sumidero de baja

temperatura (la atmosfera, un rio, etc.)

Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina.

Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.

Las rutas de la interacción entre el calor y trabajo se indican con los subíndices en y sal por

consiguiente las cuatro cantidades son positivas.

La salida de trabajo neto de esta central eléctrica es sencillamente la diferencia entre la salida

de trabajo total de la planta y la entrada de trabajo total.

Recuerde que para que un sistema cerrado que se somete a un ciclo, el cambio de energía

es cero y, por ello, la salida de trabajo neto del sistema también es igual a la transferenciade calor neto al sistema:

EFICIENCIA TÉRMICA.

En la ecuación representa la magnitud de la energía desechada para

completar el ciclo. Pero nunca es cero; así que la salida de trabajo neto de una maquina

térmica siempre es menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, solo la parte del calor

transferida a la maquina se convierte en trabajo.

La fracción de la entrada de calor se convierte se convierte en la salida de trabajo neto es una

medida del rendimiento de una maquina térmica y recibe el nombre de eficiencia térmica.

En maquinas térmicas la salida deseada es la cantidad de trabajo neta, y la entrada requerida

es la cantidad de calor suministrada al fluido de trabajo. En ese caso la eficiencia térmica de

una maquina de ese tipo puede expresarse como:

Se define también como:

Puesto que



Los dispositivos cíclicos de interés practico, como las maquinas térmicas, los refrigeradores y

las bombas de calor, operan entre en un medio de alta temperatura (o deposito) a

temperatura y un medio de baja temperatura . Para brindar uniformidad al tratamiento

de las maquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, las siguientes dos cantidades son

definidas:

Magnitud de transferencia de calor entre un dispositivo cíclico y un medio de alta

temperatura a temperatura Magnitud de tranferencia de calor entre un dispositivo cíclico y un medio de baja

temperatura a temperatura Advierta que tanto como son definidas como magnitudes y por ello son cantidades

positivas. La dirección de y se determina fácilmente por inspección y no es necesario

preocuparse por sus signos. Así, las relaciones de la salida de trabajo neto y de la eficiencia

térmica puede expresarse como: Y O

La eficiencia térmica de una maquina térmica siempre es menor que la unidad puesto que

tanto como se definen como unidades positivas.

La eficiencia térmica mide el desempeño que tiene una maquina térmica al convertir el calor

en trabajo.

Las eficiencias térmicas de los dispositivos que producen trabajo son sorprendentemente

bajas. Los motores de automóvil de encendido de chispa tienen una eficiencia térmica

aproximada del 20% mientras que los motores a diesel y las grandes centrales de turbinas de

gas es de 30% y 40% aproximadamente. Hoy en día, incluso las maquinas térmicas más

eficientes disponibles, más de la mitad de la energía suministrada termina en ríos, lagos o en la

atmosfera como energía de desecho o inútil.

¿PODEMOS AHORRAR ?En una central eléctrica de vapor, el condensador es el dispositivo donde las grandes

cantidades de calor de desecho se liberan en ríos, ríos, lagos o la atmosfera.

Desafortunadamente este proceso (condensador) no se puede eliminar, ya que no secompletaría el ciclo cuya función es el proceso de enfriamiento.

Considere una maquina térmica simple como se muestra en la figura, que sirve para levantar

pesos. Consta de un dispositivo cilindro – embolo con dos conjuntos de topes. El fluido de

trabajo es el gas contenido dentro del cilindro.



Al inicio la

temperatura delgas es de 30 C.

el embolo, el

cual está

cargado con los

pesos descansa

sobre los topes

inferiores.

Después al gas

en el cilindro, sele transfieren

100 kJ de calor a partir de una fuente a 100 C, lo cual provoca que el gas se expanda y levante

el embolo cargado hasta llagar a los topes superiores. En este punto se quita la carga y se

observa que la temperatura del gas es de 90 C.

El trabajo hecho sobre la carga durante este proceso de expansión es igual al aumento de su

energía potencial, digamos 15 kJ.

En conclusión toda máquina térmica debe desechar cierta cantidad de energía transfiriéndola

a un depósito de baja temperatura para completar el ciclo. El requisito de que una maquina

térmica intercambie calor con al menos dos depósitos para una operación continua forma la

base para la expresión de Kelvin – Planck de la segunda ley de la termodinámica.

EJEMPLO 1.

Se transfiere calor a una maquina térmica desde un horno a una relación de 80 MW. Si la

relación de liberación de calor de desecho a un rio cercano es de 50 MW, determine la salida

de potencia neta y la eficiencia térmica para esta máquina.

Solución. El horno sirve como el depósito a alta temperatura para esta máquina térmica y el rio

como el depósito de baja temperatura. En este caso las cantidades dadas pueden expresarseen forma de relación como.

Y

Despreciando las pérdidas térmicas que tiene el fluido de trabajo conforme pasa por las

tuberías y otros componentes, la salida de potencia neta de esta máquina se determina como:

Entonces la eficiencia térmica se determinara fácilmente como.

deposito a 100ºC deposito a 20ºC

entrada de calor(100 kJ)

entrada de calor(85ºC)

gas30ºC

gas90ºC gas

30ºC

(15 kJ)



Es decir, la maquina térmica convierte el trabajo 37.5% del calor que recibe.

EJEMPLO 2.

Un motor de automóvil con una salida de potencia de 65 hp tiene una eficiencia térmica de

24%. Determine la relación de consumo de combustible de este automóvil si el combustibletiene un valor calorífico de 19 000 Btu/lbm. (es decir, 19 000 Btu de energía se liberan por cada

lbm de combustible quemado).

Solución. El motor se accióna y convierte 24% de energía química liberada durante el proceso

de combustión en trabajo. La cantidad de energía de entrada requerida para producir una

salida de potencia de 65 hp se determina por la definición de la eficiencia térmica:

Para suministrar energía a esta relación, el motor debe quemar combustible a razón de:

Puesto que se liberan 19 000 btu de energía térmica por cada lbm de combustible quemado.

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