TERMODINAMICA

Ciencia de la energía que estudia los procesos que conviertenCALOR en POTENCIA

THERMOS : CALORDYNAMICS: POTENCIA

Motores deautos y aviones

CentralesTérmicas

CuerpoHumano

Máquinas Térmicas:

Energía TérmicaLa 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

Hielo

Hielo + agua

Agua

Agua + vapor

Vapor

62.7 396.7 815.7 3076-30

0

50

100

T(°C)

AB

C

DE

Temperatura (vs) Energía Térmica Adicionada

( Para 1 gramo de agua)

Energía

Absorbe energía térmica Qc de un depósito caliente, libera la energía térmica Qf 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

Q entrada

T1 alta

T2 bajaQ salida

W

MAQUINA TERMICA

Convierte CALOR en TRABAJO

Motor deStirling

LEY DEL GAS IDEAL

Po

P1

To

T1

Vo V1

VoPoT1 = V1P1To

ANTES DESPUES

Para una cantidadConstante de GAS:

(presión)

(temperatura)(volumen)

O VP/T = cte

LEY DE BOYLE (Proceso Isotérmico)

V 1 / PPara Temperatura Constante

LEY DE CHARLES (Proceso Isobárico)

Para Presión Constante: V T

V

T

LEY DE GAY LUSSAC (isométrico)

Po

To

P1

T1

ANTES DESPUES

Para Volumen Constante:

Si la Temperatura Aumenta, laPresión aumenta en forma proporcional

P

TP T

TURBINA DE VAPOR

Volumen de Control

Vapor de Entrada

Vapor de Salida

To

T1

Po

P1

Si T1 << To y V1 >> Vo P1 << Po

y habrá un mayor SALTO de Presión

W : Trabajo

Vo

V1

DIAGRAMAP - V

P

Curvas a Temperatura Constante

Vapor Saturado

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.

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.

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

Entra agualíquida

Sale Vapor

CICLO DE VAPOR ABIERTO

Diagrama P-V para m :

Q

Compresión(Bomba)

Calentamiento (Caldera)

Expansión +Trabajo

(Turbina o Pistón)

Fuente FRIA:Temperatura

ambientem

m

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.

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.

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.

Compresión(Bomba)

Calentamiento (Caldera)

Expansión +Trabajo

(Turbina)

Condensación (Condensador)

CICLO DE RANKINE

m

Inconveniente: Si se aumenta la temperatura de la Caldera(aumenta la Presión), la descarga de la máquina se corre haciaLa izquierda y sale más vapor con agua líquida.

P caldera mayor = mayor temperatura

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.

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

Compresión(Bomba)

Calentamiento (Caldera)

Expansión +Trabajo

(Turbina)

Condensación (Condensador)

Sobrecalentamiento

CICLO DE HIRN

4. CICLO de HIRN con 2 Sobrecalentamientos

El ciclo de Hirn con 2 sobrecalentadores se utiliza en centrales térmicas de gran potencia.

Vapor

RODETE DE LA TURBINA DE VAPOR

TURBINA DE VAPOR

ESQUEMA GENERAL DE UNACENTRAL TERMICA