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Ciclos Termodinamicos

Comments

By: craj_527 (37 month(s) ago)

excelente aporte

By: ryucar (41 month(s) ago)

esta cheve, muy buena aportacion....

By: joseluis123 (47 month(s) ago)

MUY BUENA , ME SIRVIO PARA MI PRESENTACION DE LA U

By: ingyuer (53 month(s) ago)

muy buena presentacion, excelente para mis clsaes

Presentation Transcript

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CICLOS TERMODINAMICOS UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA VICERRECTORADO ACADÉMICO PROYECTO DE CARRERA: ING. INDUSTRIAL CÁTEDRA:TERMODINAMICA ING LILIAN CASTILLO PROFESORA:

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EFICIENCIA TÉRMICA La eficiencia térmica mide el desempeño que tiene una maquina térmica al convertir el calor que recibe en trabajo; el rendimiento o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y de la entrada requerida. En las maquinas térmicas la salida deseada es la salida de trabajo neta y la entrada requerida es la cantidad de calor suministrada al fluido del trabajo. CICLOS TERMODINAMICOS Los ciclos termodinámicos se dividen en dos categorias: ciclos de potencia y ciclos de refrigeración. Los dispositivos o sistemas empleados en producir una salida de potencia neta reciben el nombre de maquinas, y los ciclos termodinámicos que operan se llaman ciclos de potencia Los dispositivos o sistemas empleados para producir refrigeración se llaman refrigeradores, acondicionadores de aire o bombas de calor, y los ciclos que operan se llaman ciclos de refrigeración.

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CICLO DE CARNOT El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles- dos isotermicos y dos adiabaticos- y puede ejecutarse en un sistema cerrado o en uno de flujo estable. Los cuatro procesos que lo conforman son los siguientes: Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH=constante) Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL ) Compresión isotérmica reversible (proceso 3-4 Tl= constante) Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH)

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CICLO DE CARNOT La importancia del ciclo de Carnot es que es el estándar contra el cual pueden compararse ciclos reales u otros ideales. La temperatura mas alta en el ciclo está limitada por la temperatura máxima que pueden soportar los componentes de la maquina térmica, como el émbolo o los alabes de la turbina. La temperatura mas baja está limitada por la temperatura del medio de enfriamiento utilizado en le ciclo, como un lago, un rio o el aire atmosférico. Maquina de Carnot de flujo estable

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DEDUCCIÓN DE LA EFICIENCIA DEL CICLO DE CARNOT Demuestre que la eficiencia térmica del ciclo de Carnot que opera entre los límites de temperatura de TH y TL es una función exclusiva de estas dos temperaturas y está dada por la siguiente ecuación: Los cuatro procesos que componen el ciclo de carnot son reversibles, por lo tanto, el área bajo la curva del proceso representa la transferencia de calor para este proceso. El calor se transfiere al sistema durante los procesos 1-2 y se rechaza durante los procesos 3-4. en consecuencia la cantidad de entrada de calor y de salida de calor para el ciclo puede representarse así: Puesto que los procesos 2-3 y 4-1 son isoentrópicos y, en consecuencia , S2=S3 y S4=S1. al sustituir en la ecuación la Eficiencia térmica del ciclo de Carnot es:

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ANALISIS DE UNA MAQUINA TERMICA DE CARNOT Una maquina térmica de carnot recibe 500 KJ de calor por ciclo de una fuente de alta temperatura a 652 C y desecha calor en un sumidero de baja temperatura a 30C. A) determinar la eficiencia de la maquina de carnot y B) la cantidad de calor desechada en el sumidero por ciclo. Es decir, esta maquina convierte 67.2% de calor que recibe en trabajo. La cantidad de calor desechado QL por esta maquina termica reversible se puede deterinar como sigue: Por lo tanto, esta maquina descarga 164 KJ de los 500 KJ de calor que recibe durante cada ciclo en un sumidero de baja temperatura.

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EL REFRIGERADOR Y LA BOMBA DE CALOR DE CARNOT Los refrigeradores y las bombas de calor son dispositivos de absorben calor de medios de baja temperatura y lo desechan en medios de temperaturas mayores. El desempeño de un refrigerador o una bomba se expresa en términos del coeficiente de funcionamiento que se define como: Donde QL es la cantidad de calor absorbida de un medio de baja temperatura y QH es la cantidad de calor desechada a un medio de alta temperatura. Los CDF de todos los refrigerantes o bombas de calor reversibles (como los de carnot) se determinan al sustituir los cocientes de tranferencia de calor en las relaciones anteriores por los cocientes de las temperaturas absolutas de los medios de alta y baja temperatura. Como sigue:

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Calentamiento de una casa mediante una bomba de calor de Carnot Una bomba de calor servirá para calentar una cas durante el invierno. La casa se va a mantener a 21C todo el tiempo. Se estima que la casa perderá calor a razon de 135.000 KJ/h cuando la temperatura exterior desciende a -5C. Determine la potencia mínima requerida para accionar esta unidad de bomba de calor La bomba de calor debe suministrar calor hacia la casa a una tasa de QH=135000 KJ/h=37.5 KW. El CDF o COP seria: Por lo tanto, la bomba de calor únicamente puede cubrir los requerimientos de calefacción de esta cas si consume potencia eléctrica a una tasa de 3.32 KW

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CICLO DE RANKINE El ciclo de carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia de vapor porque no se puede alcanzar en la practica. El ciclo modelo para los ciclos de potencia de vapor es el ciclo Rankine, que se compone de cuatro proceso internamente reversibles: Adición de calor a presión constante en una caldera, Expansión isoentropica en una turbina Rechazo de calor a presión constante en un condensador Compresión isoentropica en una bomba. El vapor sale del condensador como un liquido saturado a la presión del condensador.

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CICLO DE RANKINE Considere una planta de energía de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor entra a la turbina a 3 Mpa y 350 C y es condensado en el condensador a una presión de 75 Kpa. Determine la eficiencia térmica del ciclo. Por tratarse del ciclo Rankine la turbina y la bomba son isoentropicas, no hay caídas de presión en la caldera ni en el condensador, y el vapor sale del condensador y entra a la bomba como liquido saturado a la presión del condensador.

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Esta central hidroeléctrica convierte 26% del calor que recibe en la caldera en trabajo neto. Una central eléctrica real que opera entre los mismos limites de temperatura y presión tendrá una eficiencia menor debido a irreversibilidades como la fricción.

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Es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos: 1-2: Compresión adiabática 2-3: Ignición, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil 3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo 4-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. CICLO DE OTTO

Eficiencia : 

Eficiencia La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. Una relación de compresión baja requiere un octanaje bajo para evitar los efectos de detonación del combustible, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. De la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de octanaje alto para evitar el mismo problema. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

Ejemplo : 

Un ciclo ideal de Otto tiene una relación de comprensión de 8. Al inicio del proceso de comprensión, el aire se encuentra a 100 kPa y 17C, y se transfiere 800 kj/kg de calor al airea durante el proceso de adición de calor a volumen constante. Tome en cuenta la variación de los calores específicos del aire con la temperatura, y determine: a) la temperatura y presiones máximas que suceden durante el ciclo, b) la salida de trabajo neta, c) la eficiencia térmica y d) la presión efectiva media dl ciclo. Ejemplo El ciclo de Otto descrito se muestra en un diagrama P-V como se muestra en la figura . El aire contenido en el cilindro forma un sistema cerrado.

Ciclo Brayton : 

Ciclo Brayton El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica

Ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto : 

Ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto

Ciclo Brayton Ciclo cerrado : 

Ciclo Brayton Ciclo cerrado El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro proceso internamente reversibles: 1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=

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QL : Magnitud de calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura TL. QH : Magnitud de calor liberado hacia el espacio caliente a temperatura TH. Wneto : entrada neta de trabajo al refrigerador. REFRIGERADORES: Es un dispositivo que tiene como objetivo mantener el sistema a bajas temperaturas retirando calor. BOMBAS DE CALOR: Lo contrario al refrigerador. Es un dispositivo que tiene como objetivo mantener el sistema a altas temperaturas retirando frío.

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REFRIGERANTES Son los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración. Entre algunos tenemos: Clorofluorocarbonos (CFC) Amoniaco Hidrocarburos (propano, etano, etileno, etcétera) Dióxido de carbono Aire (en el condicionamiento de aire de aviones) Agua (en aplicaciones arriba del punto de congelación) R-11, R-12, R-22, R-134a, R-502 (abarcan el 91% del mercado) NOTA: Estos refrigerantes en su mayoría dañan la capa de ozono.

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Coeficiente de Funcionamiento (COP) Se utiliza para indicar el rendimiento de un ciclo de refrigeración. Para Refrigeradores Para Bombas de Calor Una regla empírica es que el CDF mejora entre 2 y 4% por cada grado centígrado que aumente la temperatura de evaporación o que disminuye la temperatura de condensación. CDFBC = QH / Wneto CDFR = QL / Wneto

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Ciclo Ideal de Refrigeración por Compresión de Vapor Es el mas empleados en refrigeradores, sistemas de acondicionamientos de aire y bombas de calor, se componen de 4 procesos: 1 – 2 Compresión isoentrópica en un compresor 2 – 3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3 – 4 Estrangulamiento de un dispositivo de expansión 4 – 1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador Proceso Isoentrópico: Es aquel ciclo en el cual la compresión se realiza a entropía constante.

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Ciclo Ideal de Refrigeración por Compresión de Vapor NOTA: El ciclo de refrigeración por compresión de vapor no es un ciclo intermitente reversible, porque incluye un proceso irreversible (estrangulamiento).

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Ciclos Reales de Refrigeración por Compresión de Vapor Difiere de un ciclo ideal en varias maneras, principalmente a las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

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Sistema de Refrigeración en Cascada Son dos o mas ciclos de Refrigeración que operan en serie. Son usados en aplicaciones industriales donde son necesarias temperaturas moderadamente bajas.

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Ciclos de Refrigeración de Gas (Ciclo Brayton invertido)

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Ejercicio: Un refrigerador usa refrigerante 134 a como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor entre 0,14 MPa y 0,8 Mpa. Si la tasa de flujo másico del refrigerante es 0,05 Kg/s, determine a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la tasa de liberación de calor al ambiente y c) el CDF del refrigerador.

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En Tabla: P1 = 0,14 Mpa h1 = hg = 236,04 KJ / Kg S1 = Sg = 0,9322 KJ / Kg K P2 = 0,8 Mpa h2 = 272,05 KJ / Kg S2 = S1 P 3 = 0,8 Mpa h3 = hf = 93,42 KJ / Kg h2 ≈ h3 (estrangulamiento) h4 = 93,42 KJ / Kg a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor QL = m (h1 – h4) = (0,05 Kg/s) [(236,04 – 93,42)KJ/Kg] = 7,13 KW W = m (h2 – h1) = (0,05 Kg/s) [(272,05 – 236,04)KJ/Kg] = 1,80 KW

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b) la tasa de liberación de calor al ambiente QH = m (h2 – h3) = (0,05 Kg/s) [(272,05 – 93,42)KJ/Kg] = 8,93 KW También podría haberse encontrado con QH = QL + W = 7,13 + 1,80 = 8,93 KW c) el CDF del refrigerador es CDFR = QL/ W = 7,13KW / 1,80 KW = 3,96 ≈ 4 Es decir, este refrigerador remueve 4 unidades de energía del espacio refrigerado por cada unidad de energía que consume.