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Ciclos Termicos

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Words 2156
Pages 9
Física Térmica

MAQUINAS TÉRMICAS CICLOS TERMODINÁMICOS

CICLOS DE POTENCIA

CICLOS DE REGRIGERACIÓN

Máquina Térmica

Refrigerador, Bomba de calor

Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas Ciclo de Vapor: Recorre parte del ciclo en estado vapor y otra parte en estado líquido Ciclo cerrado: El fluido de trabajo regresa a su estado inicial al final del ciclo (ej. Vapor en una central Térmica) Ciclo abierto: El fluido de trabajo se renueva en cada ciclo. (ej. automovil)

Máquinas Térmicas

Combustión interna: Se quema el combustible dentro de la frontera del sistema Combustión externa: Uso de calderas, pozo geotérmico, reactor nuclear, sol.. (Centrales eléctricas)

Los ciclos reales se aproximan a ciclos ideales, suponiendo: El ciclo no implica ninguna fricción Procesos de expansión y compresión son cuasiestáticos Tuberías que conectan las diferentes partes del sistema están bien aisladas Se ignoran los cambios de energía cinética y potencial del fluido de trabajo (excepto en toberas)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR EN INGENIERÍA

W NETO TL η = ---------------------------------- = 1 – -----Q ABSORBIDO TH

El ciclo de carnot es el ciclo reversible que tiene mayor rendimiento. Todos los ciclos reversibles que operen con las mimas dos fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento. Rendimiento aumenta con la diferencia de temperatura entre las dos fuentes Existen límites físicos para TH y TL

El ciclo de Carnot podría llevarse a cabo en un sistema cerrado (cilindro-pintón) o bien en un sistema de flujo permanente (dos turbinas y dos compresores)

INCONVENIENTES PARA SU EXACTA REALIZACIÓN PRÁTICA:

En ciclos de gas: La transferencia de calor isotérma reversible es dificil de llevar a cabo en la realidad ya que requeriría tiempos muy largos En ciclos de vapor: Es difícil de encontrar la composición exacta de líquido que cierre el ciclo.

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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CICLO DE OTTO Máquina de Combustión Interna Ciclo ideal para las máquinas de encendido de chispa. Motor de Ignición

REAL
3

REAL
4 b a 1 5

2

Vmin

Vmax

IDEAL

Física Térmica

IDEAL
Expansión

Vmin

Vmax

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

CICLO DE OTTO

a - 1 Se abre la válvula de admisión, el pistón baja absorbiendo la mezcla fresca aire-gasolina. P aprox cte= 1atm 1 - 2 El pistón sube y comprime la mezcla adiabáticamente. 2 En Vmin de la mezcla, la chispa produce la combustión instantáneamente. 2 - 3 Aumenta la temperatura y la presión a v=cte 3 - 4 Expansión adiabática con realización de trabajo. Fase de Potencia 4 - 5 Se abre la válvua de escape, la presión cae a 1 atm. V=cte. 5 - b El pistón empuja los gases de combustión fuera a P=cte=1atm a - 1 Se abre la válvula........comienza el ciclo de nuevo 1) Combustible no reutilizable No es exactamente un ciclo 2) 5 - b y a - 1 no totalmente coincidentes

Suposición para considerarlo ideal: Se realiza un ciclo 1 -2- 3- 4. Dos Isócoras y dos adiabáticas. Ciclo cerrado γ → Índice adiabático 1 η = 1 – ----------γ–1 r v max r = ----------v min

Relación de compresión

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica DIAGRAMA TS PARA EL CICLO DE OTTO

Q abs = ∆U 2 → 3 = nc v ( T 3 – T 2 ) Q ced = ∆U 4 → 1 = nc v ( T 4 – T 1 )

Eficiencia Térmica de un ciclo de Otto ideal como función de la relación de compresión (γ=1.4)

La eficiencia térmica aumenta con la relación de compresión Si la relación de compresión es excesivamente grande puede perjudicar la motor ya que se produce el autoencendido. (Durante la compresión se elevaría en exceso la temperatura)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

79

Física Térmica

MOTOR DE DOS TIEMPOS

Idealmente sigue el mismo ciclo de Otto que el motor de cuatro tiempos. En el ciclo REAL durante la expansión adiabática (Tiempo de Potencia) se abre primero el puerto de escape y luego el de admisión.

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLO DIESEL Encendido por compresión DIAGRAMA PV Y TS SE USAN MAS ALTAS RELACIONES DE COMPRESIÓN 1 - 2 compresión de aire 2- 3 Se inyecta el combustible manteniendo la P=cte 3- 4 Se cierra el inyector. Expansión adiabática. Tiempo de Potencia γ r0 – 1 1 η = 1 – --------------------- ----------γ ( r0 – 1 ) rγ – 1

η D < η otto Para la misma relación de compresión Para Diesel rD < rotto Al final tiene mayor η

v3 r 0 = ---------v min

En los motores diesel la bujía se reemplaza por un inyector de combustible

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE STIRLING Y ERICSSON Combustión externa Más similares al de Carnot ya que trabaja entre dos fuentes térmicas Diagramas TS y PV de los ciclos de Carnot, Stirling y Ericsson

No son prácticos: Necesitarían la transferencia ideal de calor a T=cte Esto requeriría superficies muy grandes o un tiempo infinito

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

LA EJECUCIÓN DEL CICLO STIRLING

1 -2 Expansión Istoterma. Se absorbe calor de la fuente a TH 2 -3 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte 3- 4 Compresión Isoterma, se cede calor a la fuente a TL 4-1 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte El regenerador se queda con el calor en 2 3 haciendo que el gas se enfríe este calor lo devuelve en 4 1 haciendo que se caliente UN MOTOR ERICSSON DE FLUJO PERMANENTE

3

2

4 4 3 1

1

2

El fluido fluye de manera constante. La compresión y la expansión se produce en el compresor y en la turbina respectivamente El regenerador es ahora un intercambiador de calor a contraflujo

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLO BRAYTON El ciclo ideal para los motores de turbina de gas. Ciclo abierto Motor de turbina de gas de ciclo abierto. REAL 1 -2 Entra aire fresco en el compresor T y P aumentan 2 -3 El combustible se quema a P=cte 3-4 Los gases de alta temperatura entran en la turbina donde se expanden hasta Patm. Producción de potencia

Motor de turbina de gas de ciclo cerrado. Modelado del real. IDEAL

Los procesos de compresión y expansión quedan iguales El proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a P=cte El proceso de escape se sustituye por uno de cesión de calor a presion constante hacia el aire ambiente

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Diagramas T-s y P-v para el ciclo Brayton ideal

1 - 2 Compresión Isoentrópica 2 - 3 Adición de calor a P=cte 3 - 4 Expansión Isoentrópica 4 - 1 Cesión de calor a P=cte

Q abs = ∆H 2 → 3 = nc p ( T 3 – T 2 ) Q ced = ∆H 4 → 1 = nc p ( T 4 – T 1 )

γ→ 1 η = 1 – --------------------(γ – 1) ⁄ γ rp p2 r p = ----p1

Índice adiabático

Relación de presiones

El rendimiento aumenta con la relación de presiones La temperatura más alta se consigue al final del proceso de combustión (estado 3) que está limitada por la máxima temperatura que los alabes de la turbina pueden soportar, este hecho limita la relación de presiones Las principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son: La propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN A CHORRO

En un motor de chorro, los gases de alta temperatura y alta presión que salen de la turbina se aceleran en una tobera para proporcionar el empuje.

Diagrama T-s del ciclo turbochorro ideal

Esencialmente es idéntico al de turbina de gas del ciclo Brayton. Difieren en que el gas en la turbina solo se expande parcialmente produciendo un trabajo que se emplea en accionar el compresor. La expansión final se produce en la tobera hasta la presión ambiente y salen del avión a alta velocidad. Componentes básicos de un motor de turbochorro

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica

Analisis termodinámico en los motores de propulsión a chorro
Estatoreactor

T1,p1,v1 difusor entrada

cámara de combustión

tobera salida

T2,p2,v2 difusor combustible

1 2 2 ( h 2 – h 1 ) + -- ( v 2 – v 1 ) = 0 2 ciclo T1 1 η = 1 – ----------------------- = 1 – ----γ–1 T2 – --------- p 2 γ  -----  p 1

v1 » v2

2c p T 1 – 1  η =  1 + --------------  2   v1

T1/T2 p1/p2

η

v/(kmh-1)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Motor de Turbopropulsión

Motor de Estatorreactor

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Combustión externa. Flujo Permanente Diagrama T-s del ciclo de Carnot de vapor VENTAJAS: Isotermas coinciden con isóbaras Tc 1-2 Agua vaporiza a P y T ctes en la caldera 2-3 Expansión isoentrópica en la turbina 3-4 Condensación a P y T ctes en el condensador. Licua parte del vapor 4-1 Compresión isoentrópica en el compresor

Dificultades Prácticas: La Temperatura máxima está limitada por la Tc del agua. Desgaste de la turbina debido a la cantidad del líquido que aparece durante la expansión Dificicultad de controlar durante la compresión el estado final No es práctico diseñar compresores que manejen dos fases

Barato El fluido más usado es el agua Poco contaminante Buenas propiedades Termodinámicas

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica EL CICLO IDEAL RANKINE SIMPLE 1-2 Compresión isoetrópica en una bomba 2-3 Adición de calor a p=cte en una caldera 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina 4-1 Cesión de calor a p=cte en un condensador

Basado en el ciclo de Carnot de vapor con las siguientes DIFERENCIAS El vapor saturado se sigue calentando en la caldera a p=cte hasta el estado 3, con ello en la expansión adiabática el vapor tiene mayor calidad (calidad=fracción molar) El vapor se lícua completamente en el proceso 4-1. La bomba sólo comprime ya agua líquida, hasta la presión de entrada en la caldera

A la caldera se le denomina generador de vapor. En la turbina se produce el trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico El condensador es un intercambiador de calor que cede calor a un medio como un lago, un río o la atmósfera

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica ANÁLISIS ENERGÉTICO Ecuaciones de flujo permanente Se desprecian las variaciones de energía cinética y potencial q - w = hf - hi Bomba (q=0) Caldera (w=0) Turbina (q=0) Condensador (w=0) Por unidad de masa de vapor wbomba = h2 - h1 qabsorbido = h3 - h2 wturbina = h3 - h4 qcedido = h4 - h1

wneto = qabs - qced = wturb - wbomba DIAGRAMA MOLLIER h-s En procesos a p=cte Q = ∆h En procesos a s=cte w = ∆h Dentro de la curva de coexistencia coinciden las líneas p=cte y T=cte

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica Desviación del ciclo real de potencia de vapor del ciclo ideal Rankine

Irreversibilidades Fricción del fluido Provoca caidas de presión Pérdidas de calor indeseadas Hay que aumentar el calor suministrado enla caldera

El ciclo ideal de Rankine con recalentamiento

Proceso de expansión sucede en dos etapas, ello mejora la calidad del vapor al final del proceso de expansión sin tener que aumetar la temperatura máxima de la caldera. Hay menos problemas de humedad en la turbina Mejora el rendimiento entre un 4 y un 5%

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica REFRIGERACIÓN En general los estudios realizados sobre máquinas térmicas que absorben calor para obtener trabajo pueden trasladarse a las máquinas frigoríficas que absorben trabajo para extraer calor y enfriar un recinto. Los ciclos frigoríficos pueden trabajar con gases o con una sustancia en equilibrio líquido vapor. La compresión de la sustancia puede ser realizarse de forma alternativa o rotativa.

CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GASES

El aire se comprime adiabáticamente en un compresor (3) que puede ser alternativo o rotativo. W El aire entra en un refrigerador (4) y se enfría. Posteriormente pasa al expansor (1) donde realiza un trabajo sobre el medio externo. Este trabajo se aprovecha en el turbocompresor para reducir su consumo. Finalmente pasa al intercambiador (2) donde se calienta y enfría el volumen (2)

Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración

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Física Térmica CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Refrigeradores y Bombas de Calor

TH

Medio Caliente QH0 W QL QH > W

TL

Espacio Refrigerado

Ciclo inverso de Carnot Ciclo de refrigeración por compresión de vapor Esquema
TTL

Refrigerador Bomba calor QH QL 1 1 e = --------------------------- = ---------------e = --------------------------- = ---------------QH – QL TH QH – QL TL 1 – ------------- – 1 TL TH Los rendimientos aumentan cuando disminuye la diferencia de T
Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 94

Física Térmica CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

líquido a p alta

vapor a p alta Tamb…...

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Lean Six Sigma

...solos. “Es difícil ser agresivo cuando no sabes a que pegarle”. (Vince Lombardi) A que pegarle significa ¿Qué mejoras especificas deben ser ejecutadas y en que orden? Esta pregunta no puede ser entendida ó contestada por aquellos enfocados de manera separada en Lean ó en Seis Sigma. 3 El Principio de Lean Seis Sigma Las actividades que causan los problemas en los CTQ’s (Critical to Quality) de los clientes y crean los tiempos de retraso mas largos en cualquier proceso ofrecen la mayor oportunidad de mejora en costo, calidad, capital y Lead Time. 4 Lean Seis Sigma Lean significa velocidad; esta se aplica a todos los procesos. Los procesos lentos son procesos caros. El métrico de lean es la eficiencia del ciclo de proceso. Los tamaños de lote deben calcularse utilizando variables de flujo. 95% de los Lead Times en la mayoría de los procesos son tiempos de espera. Para mejorar la velocidad, se necesita identificar y eliminar los problemas mas grandes. 5 Las Tres Leyes de Lean Seis Sigma Ley Cero: La Ley del Mercado Los asuntos relacionados con los CTQ’s (Critical to Quality) de los clientes deben ser solucionados primero. Primera Ley: La Ley de la Flexibilidad La velocidad del proceso es directamente proporcional a la flexibilidad. Por ejemplo, en un proceso de manufactura la flexibilidad es proporcional al tiempo de cambio en una estación de trabajo. La máxima flexibilidad se logra lanzando lotes de tamaños......

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Industria Aeroespacial En La PráCtica de La Ingeniería MecáNica

...sido enseñados y preparados para aplicar las matemáticas, principios científicos y simulaciones en computadora como herramientas para crear diseños de una manera más rápida, precisa y económica. En este sentido, el trabajo de un ingeniero difiere del de un científico, quien normalmente su énfasis está en el descubrimiento de nuevas leyes físicas en vez de la aplicación de ese fenómeno en el desarrollo de nuevos productos. La ingeniería es en esencia un puente entre el descubrimiento científico y aplicación de productos. La ingeniería no podría existir por el bien de la aplicación de matemáticas, ciencia, computación en sí o la promoción. En cambio, la ingeniería es el conductor social y económico del desarrollo y una parte integral en el ciclo del negocio. Dentro de la ingeniería hay diversos campos, adentrándonos en uno específicamente, la ingeniería mecánica, el cual representaba en el 2008 el 15% de todos los ingenieros. Este campo encierra las propiedades de fuerzas, materiales, energía, fluidos y movimiento, al igual que la aplicación de aquellos elementos para diseñar productos que logren el avance de la sociedad y mejoren la vida de las personas. El Departamento de Trabajo de Estados Unidos describió a la profesión como: Los ingenieros mecánicos investigan, desarrollan, diseñan, fabrican, prueban herramientas, motores, máquinas y otros dispositivos mecánicos. Ellos trabajan en máquinas productoras de energía, como los generadores de electricidad, motores de......

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...e Ternate (Varese) comprendono la fase di cottura e sono a ciclo completo, mentre Ravenna è centro di macinazione. Tradizionalmente il mestiere svolto da Holcim (Italia) consiste nella produzione di cemento ma, negli anni, l’attività è stata estesa alla produzione di altri materiali da costruzione come gli aggregati (sabbia e ghiaia) e il calcestruzzo, divenendo così un Gruppo fortemente integrato e una realtà industriale importante del Nord Ovest d’Italia. La posizione strategica sul territorio è il principale vantaggio competitivo di Holcim, unico operatore del settore in grado di servire il mercato della Lombardia con cemento, aggregati e calcestruzzo. Parallelamente alle attività di espansione l’Azienda ha accresciuto inoltre le proprie competenze tecniche ed avviato un percorso di sviluppo sostenibile per coniugare crescita economica, responsabilità sociale e tutela dell’ambiente. Un forno strategico Il cemento è prodotto attraverso la macinazione e la miscelazione di clinker e di correttivi (gesso, calcare, loppa, pozzolana). Il clinker è il semilavorato base e si ottiene mediante la cottura in forno di una miscela di materie prime (calcare e argilla) a elevata temperatura (1450 °C). A Merone esistono due forni, numerati rispettivamente 4 e 5, dei quali attualmente solo il primo è acceso: il calo della domanda legato alla crisi economica ha infatti determinato lo spegnimento del secondo nel 2009. Attivo a ciclo continuo, il forno 4 perciò è strategico per lo......

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