Unidad 1 ciclos de vapor

MAQUINAS Y EQUPOS TERMICOS II GEORGINA MORALES POLITO

UNIDAD I CICLOS DE VAPOR

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Contenido Objetivo del curso Temario Criterios de Evaluación Fechas de Evaluación Introducción Investigación del ciclo de Carnot 1.1 Síntesis del Ciclo de Rankine. 1.2 Síntesis del Ciclo de Hirn. 1.3 Investigación del ciclo de Carnot 1.4 Síntesis de Eficiencia. Actividades en clases Conclusión Bibliografía

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OBJETIVO GENERAL DEL CURSO Realizar la evaluación energética, el balance térmico de los diferentes motores de combustión interna y de los ciclos de vapor, ciclos de gas, ciclos combinados compresores, así como su selección y fundamentos para su mantenimiento. TEMARIO Unidad Temas Subtemas 1 Ciclo de vapor. 1.1 Ciclos Rankine 1.2 Ciclo de Hirn 1.3 Ciclo Carnot 1.4 Eficiencia. 2 Motores de combustión interna 2.1 Clasificación de los motores de combustión interna. 2.2 Motor Otto. 2.3 Motor Diesel. 2.4 Sistemas auxiliares (Sistema de encendido, Sistema de inyección, sistema de lubricación, sistema de enfriamiento). 2.5 Motores de propulsión a chorro. 2.6 Análisis energético de las turbinas de gas. 2.7 Rendimientos, potencia y selección. 3 Ciclo de gas. 3.1 Ciclo Brayton ideal. 3.2 Ciclo Brayton real. 3.3 Ciclo Brayton con regeneración. 3.4 Ciclo Brayton con interenfriamieto. 3.5 Ciclo Brayton con recalentamiento. 3.6 Eficiencia 2 INGENIERIA ELECTROMECANICA. GEORGINA MORALES POLITO

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4 Ciclos combinados. 4.1 Tipos de ciclos combinados 4.2 En la generación de energía 4.3 En la cogeneración 4.4 Eficiencia energética. 5 Compresores 5.1 Clasificación. 5.2 Análisis de la primera ley de la termodinámica en un compresor reciprocante y centrífugos. 5.3 Compresión multietápica con enfriamiento intermedio. 5.4 Eficiencia isotérmica del compresor. 5.5 Eficiencia isoentrópica del compresor. 5.6 Eficiencia politrópica del compresor. 5.7 Trabajo ideal del compresor. 5.8 Trabajo real del compresor. 5.9 Aplicación termodinámica del compresor.

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CRITERIOS DE EVALUACION Investigación. Se utilizará lista de cotejo para revisar las investigaciones debiendo tener los lineamientos siguientes: portada, introducción, desarrollo del tema, ortografía, calidad del contenido, conclusión y mínimo 3 referencias bibliográficas. 25% Exposición. Se evaluara con guía de observación. Considerando aspectos como: Puntualidad, uso del tiempo, tono de voz, vocabulario, dominio del tema, atención a la audiencia, tamaño de letra, síntesis de la información, calidad del contenido. 30% Resolución de ejercicios prácticos. Ejercicios que al alumno resolverá en clase y extra clase, en forma correcta, acorde con el tema. (Libreta de apuntes). Se evaluara con lista de cotejo. 25% Examen escrito. Para evaluar conocimientos adquiridos. 20% FECHAS DE EVALUACION PRIMERA EVALUACION 09/09/2016 SEGUNDA EVALUACION 07/10/2016 TERCERA EVALUACION 28/10/2016 CUARTA EVALUACION 11/11/2016 QUINTA EVALUACION 02/12/2016

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INTRODUCCION Desde el punto de vista de la tecnología, un punto importante de la ingeniería es proyectar sistemas que realicen las conversiones deseadas entre los diferentes tipos de energías. En la presente unidad se estudiarán algunos tipos de sistemas de generación potencia, cada uno de los cuales produce una potencia neta, a partir de una fuente de energía que puede ser del tipo químico, nuclear, solar, etc. El objetivo es describir algunos de los dispositivos empleados para producir potencia e ilustrar como modelizarse termodinámicamente tales plantas. La discusión está organizada en tres áreas principales de aplicación: centrales térmicas con ciclo de vapor, centrales térmicas con turbinas de gas y sistemas de combustión interna. Estos sistemas de potencia, junto con las plantas hidráulicas de producción de energía eléctrica, producen virtualmente toda la energía eléctrica y mecánica usada mundialmente. Los procesos que tienen lugar en los sistemas de generación de Potencia son altamente complicados y se precisan idealizaciones para desarrollar modelos termodinámicos adecuados. Tales modelos son muy importantes en la etapa inicial del diseño técnico. Aunque el estudio de modelos simplificados proporciona en general solo conclusiones cualitativas acerca del rendimiento de los equipos reales, estos a veces permitirán deducciones acerca del rendimiento real en relación a sus principales parámetros de operación.

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Síntesis del ciclo de Rankine Este ciclo tiene la característica de convertir el calor en trabajo a lo que se le atribuye como un ciclo de potencia. El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están: Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado líquido saturado a la presión de la salida de la turbina. Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva isotrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3. Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una. Temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica. En las centrales térmicas de gas no solo se utiliza el ciclo Rankine si no un hermano de este llamado el ciclo de Brayton ideal además se dice que en este ciclo no se utiliza una bomba si no un compresor. Con la realización de la práctica de Ciclo Rankine o Ciclo de Potencia de Vapor se obtendrá la eficiencia de los equipos o unidades que permiten obtener energía eléctrica a partir de la energía química que entregan los gases producto de la combustión a la caldera, la cual a su vez transforma esa energía en energía térmica cediéndola a la turbina, a través del fluido de trabajo que es el vapor de agua, está la recibe y la transforma en energía mecánica, para que finalmente el generador la convierta en energía eléctrica, Esto permitirá evaluar al final un rendimiento total de la planta, dado por el conjunto de varios rendimientos parciales de los elementos que conforman el ciclo, tales como la caldera, sobre calentador, turbina, bomba y condensador

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Síntesis del ciclo de Hirn El ciclo de Hirn es básicamente un ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento. Para el ciclo de hirn con más de un sobre calentamiento es muy similar al normal ya que el proceso empieza la salida de la primera turbina en la que en vez de enviar el vapor a condensar este se hace pasar por un segundo sobrecalentamiento. Después este vapor sobrecalentado se expande nuevamente a una segunda turbina y es a la salida de esta se lleva el vapor a condensar. Ya vimos en el punto anterior que un ciclo de Rankine es termodinámicamente muy similar a su ciclo de Carnot correspondiente. Sin embargo tiene algunos defectos de importancia: En primer lugar, el vapor tiende a salir de la máquina (o expansor) con título bastante inferior a 1. El tener un título pequeño (típicamente del orden de 0,80 o menos) implica que del total de fluido que sale del expansor, 20% o más es líquido. Cuando se trata de máquinas alternativas (cilindro-pistón), este es un inconveniente no muy grave, pero cuando se trata de máquinas rotativas (turbinas) en que el vapor fluye a través de los elementos a alta velocidad, esto causa desgaste y erosión en las piezas fijas y móviles. Otro inconveniente de los ciclos de Rankine es que a medida que la presión en la caldera sube (lo cual implica mayor temperatura de fuente caliente), el vapor después de la expansión sale a un título aún menor (es decir con más agua).

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INVESTIGACION CICLO DE CARNOT Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente.

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabática Tramo C-D isoterma a la temperatura T2 8 INGENIERIA ELECTROMECANICA. GEORGINA MORALES POLITO

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Tramo D-A adiabática En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: La presión, volumen de cada uno de los vértices. El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo. Es un ciclo termodinámico hipotético utilizado como norma para establecer comparaciones con ciclos reales. Con el ciclo de Carnot se muestra que, aun en condiciones ideales, una máquina térmica no puede convertir toda la energía calorífica que se le suministra en energía mecánica; tiene que rechazar parte de esa energía. En un ciclo de Carnot, una máquina acepta energía calorífica de una fuente a alta temperatura, o cuerpo caliente, convierte parte de ella en trabajo mecánico (o eléctrico) y descarga el resto hacia un sumidero a baja temperatura, o cuerpo frío. Cuanto mayor sea la diferencia en temperatura entre la fuente y el sumidero, mayor será la eficiencia de la máquina térmica. Características generales  El ciclo de Carnot consiste, primero, en una compresión isoentrópica, luego, en una adición isotérmica de calor, seguida de una expansión isoentrópica, y concluye con un proceso isotérmico de rechazo de calor. En pocas palabras, los procesos son compresión, adición de calor, expansión y descarga del calor, todo en una forma establecida y definida.  Un ciclo de Carnot consta, en su totalidad, de procesos reversibles; así, en teoría, puede aplicarse para extraer el calor de un cuerpo frío y descargarlo a un cuerpo caliente. Para ello, el ciclo requiere entrada de trabajo de sus alrededores. El equivalente de calor de esta entrada de trabajo también se descarga al cuerpo caliente. Así como el ciclo de Carnot produce la máxima eficiencia para un ciclo de potencia que funciona entre dos temperaturas fijas, el ciclo inverso produce el óptimo coeficiente de rendimiento para un aparato que bombee calor desde una temperatura baja hasta una más alta. 9 INGENIERIA ELECTROMECANICA. GEORGINA MORALES POLITO

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Rendimiento El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: Dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritas acorde con el Criterio de signos termodinámico. Expansión isoterma: Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante.

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Expansión adiabática: La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo Compresión isoterma: Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. Compresión adiabática: Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema. Al ser un proceso adiabático, calor, por lo tanto la entropía no varía.

no

hay

transferencia

de

Teoremas de Carnot 1. No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas. 2. Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento. Igual que antes, suponemos que no se cumple el teorema y veremos que se violará el segundo principio. Sean R1 y R2 dos máquinas reversibles, operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor de la caliente, con distintos rendimientos.

Rendimiento 3. A partir del segundo teorema de Carnot se puede decir que, como dos máquinas reversibles tienen el mismo rendimiento, este será independiente de la sustancia de trabajo de las 11 INGENIERIA ELECTROMECANICA. GEORGINA MORALES POLITO

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máquinas, las propiedades o la forma en la que se realice el ciclo. Tan solo dependerá de las temperaturas de las fuentes entre las que trabaje. Si tenemos una máquina que trabaja entre fuentes a temperatura T1 y T2, el rendimiento será una función de las dos como variables.

Síntesis de eficiencia La eficiencia de un ciclo o maquina térmica se basa en el coeficiente o ratio adimensional como se mencionó en la exposición ya que se calcula como el cociente de la energía producida y la energía suministrada a la máquina. Y es que dependiendo de la maquina la transferencia de las energía en esta se realizaran en forma de calor Q o de trabajo, W. los objetivos de las maquinas térmicas es aumentar la relación que hay entre el trabajo que se produce en ellas y el calor absorbido es importante mencionar que las maquinas térmicas generan trabajo mecánico a partir de energía térmica. Entrando en el ciclo de Carnot menciona que ninguna maquina térmica debe tener mayor rendimiento al de la maquina térmica de este ciclo. Ahora bien el máximo rendimiento de cualquier máquina que tenga una función entre dos focos puede tener un rendimiento, pero siempre será la máquina de Carnot que esté funcionando entre estos dos focos. La eficiencia de una bomba de calor el método de calentamiento se describirá en función de un número conocido como el coeficiente de realización CDR.

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Actividades en clases

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Conclusión Existen diversos ciclos teóricos, compuesto por procesos internamente reversibles. Uno de ellos es el denominado Ciclo de Carnot, que puede funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen estacionario, el mismo está compuesto por dos procesos isotérmicos e internamente reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente reversibles. En los ciclos de Carnot hay una máquina que acepta energía proveniente de una fuente a alta temperatura en la que una parte de esta energía se convierte en trabajo mecánico. Se puede decir que el ciclo se puede aplicar para extraer el calor de un cuerpo frio y suministrarlo a un cuerpo caliente. Para los cálculos de potencia y calor (QH) de la caldera se tomó en cuenta la sección donde el calor se sobrecalienta (generador de vapor), garantizando que a la turbina solo ingrese vapor totalmente seco de esta manera mejorar su rendimiento. Las eficiencias de la planta fueron relativamente bajas, como resultado de las irreversibilidades existentes, como el roce entre el agua y los componentes de la planta, las pérdidas de calor a través de las tuberías del sistema y de las paredes de la turbina, permitiendo que esta no sea completamente adiabática. Las caídas de presión entre la salida y la entrada de los dispositivos, se debe a las tuberías de la conexión, admitiendo así la diferencia que existe entre ciclo de vapor real respecto del ideal; es decir en estos no se toma en cuenta dichas caídas o diferencias. Mediante el empleo del sobre calentador se aumenta isobáricamente la entalpía del vapor, transformándolo en vapor sobrecalentado, de esta manera la eficiencia térmica del ciclo puede incrementarse aumentando la temperatura del vapor en la caldera.

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Bibliografía http://.tema-1-ciclo-de-vapor-1.pdf http://.Generacion_2013_Parte4.ppt http://.capitulo4.pdf http://.ciclos a vapor-1.pdf www.Rankine.pdf

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