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- 1. Actividad 1. ¿Cómo elegir un sistema? UNIDAD 1: TERMODINÁMICA II 09/08/2019 UNADM MARIA ELENA LÓPEZ CARBAJAL
- 2. I Ciclo de Carnot El ciclo de Carnot es la secuencia de procesos termodinámicos que tienen lugar en un motor de Carnot, un dispositivo ideal que consta solamente de procesos de tipo reversible; es decir, aquellos que habiendo tenido lugar, pueden retornar al estado inicial. A la izquierda un esquema de la máquina de Carnot, a la derecha el diagrama PV.
- 3. II Diagrama T-S de Carnot: Punto de partida Se puede comenzar por cualquier punto del ciclo, en el cual el gas tiene unas ciertas condiciones de presión, volumen y temperatura. Trabajo hecho por C = Calor de entrada – Calor de salida ΔW = Qentrada – Qsalida Primera etapa: expansión isotérmica La temperatura entre los puntos A y B es T1. El sistema absorbe calor del depósito térmico 1 y sufre una expansión isotérmica. Entonces el volumen aumenta y la presión disminuye.
- 4. III Sin embargo la temperatura se mantiene en T1, puesto que cuando el gas se expande se enfría. Por tanto, su energía interna se mantiene constante. Segunda etapa: expansión adiabática En el punto B el sistema comienza una nueva expansión en la cual el sistema no gana ni pierde calor. Por lo tanto es una expansión adiabática que prosigue hasta el punto C siguiendo la flecha roja. El volumen aumenta y la presión disminuye hasta llegar a su valor más bajo. Tercera etapa: compresión isotérmica Comienza en el punto C y finaliza en D. Se retira el aislamiento y el sistema entra en contacto con el depósito térmico 2, cuya temperatura T2 es menor. Cuarta etapa: compresión adiabática Llegado al punto D, el sistema pasa nuevamente a aislamiento térmico, la presión aumenta y el volumen disminuye hasta llegar nuevamente a las condiciones originales del punto A Ciclo de Otto Ciclo Otto. Es el ciclo termodinámico que se aplica al Motor de Combustión Interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Las fases que posee el ciclo Otto se conocen como: Admisión, compresión, explosión y escape. Estas son las que definen todo el proceso que se lleva a cabo en el cilindro y que resulta en movimiento del motor. Se dice que son fases teóricas porque, como se podrá constatar a medida que se desarrolla el ciclo, lo normal es que las fases ocurran traslapadas y no de manera lineal.
- 5. IV Antes de que una fase termine, ya ha comenzado la siguiente. ciclo de Otto. diagrama P-V Las transformaciones termodinámicas que se verifican durante el ciclo Otto son: 1. Transformación adiabática i isentropica (sin intercambio de calor con el exterior). Compresión del fluido activo y correspondiente al trabajo L1 realizado por el pistón. 2. Transformación a volumen constante. Introducción instantánea del calor suministrado Q1. 3. Transformación adiabática. Expansión a presión constante y correspondiente trabajo L2 producido por el fluido activo. 4. Transformación a volumen constante. Sustracción instantánea del calor Q2.
- 6. V El rendimiento promedio de un motor con ciclo Otto de cuatro tiempos está entre 25 y 30%, menor al que alcanza un motor diésel que puede obtener hasta un 45% de rendimiento. Precisamente esto ocurre porque tiene una relación de compresión mayor. Ciclo de Diésel Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. El motor de combustión interna diésel se diferencia del motor de ciclo Otto de gasolina, por el uso de una mayor compresión del combustible para encenderlo, en vez de usar bujías de encendido (“encendido por compresión” en lugar de “encendido por chispa”). 1. Compresión isentrópica 2. Adición de calor a presión constante 3. Expansión isentrópica Rechazo de calor de volumen constante
- 7. VI Diagramas P-V y T-S del Ciclo diésel Ciclo de Brayton El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: 1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera
- 8. VII En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir: Wnet = Wt - Wc Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como: Wnet = Wt - Wc Y el calor de adición por unidad de masa será: Al igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado:
- 9. VIII ηter = Wnet / qA La eficiencia térmica del ciclo Brayton para un gas ideal puede escribirse como: Ciclo de Rankine El ciclo que sigue el ciclo de vapor en las centrales de ciclo combinado corresponde al llamado Ciclo de Rankine es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas: 1. Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible. 2. A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida. 3. Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. Ésta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la
- 10. IX máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva. 4. Una etapa de aportación de calor a presión constante, que en los ciclos combinados se hace en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina. Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot. Ciclo combinado de gas-vapor Los ciclos combinados son centrales de generación de energía eléctrica en las que se transforma la energía térmica del gas natural en electricidad mediante dos ciclos consecutivos: el que corresponde a una turbina de gas convencional y el de una turbina de vapor. Este tipo de centrales se caracterizan por el uso que se realiza del calor generado en la combustión de la turbina de gas, que se lleva a un elemento recuperador del calor y se emplea para
- 11. X mover una o varias turbinas de vapor. Estas dos turbinas, de gas y vapor, están acopladas a un alternador común que convierte la energía mecánica generada por las turbinas en energía eléctrica. La combinación de estos dos procesos permite alcanzar rendimientos, en torno a los 60%, muy superiores a los de una central térmica convencional con un solo ciclo, ya que obtiene la energía eléctrica en dos etapas, logrando así un mayor aprovechamiento de la energía del combustible. Ventajas e Inconvenientes Ventajas Su contaminación es más baja que en las centrales térmicas tradicionales. Coste de inversión bajo, periodos de construcción cortos y eficiencia elevada. Bajo consumo de agua de refrigeración. Ahorro energético. Inconvenientes Contaminan el aire. El ecosistema de ese lugar muere o desaparece. Puede provocar lluvia ácida. Aumentan los niveles de ozono en el aire. Determina desde tu perspectiva ¿cuál es el mejor ciclo? y explica con argumentos técnicos él porque es el mejor. Pues en cuestión de eficiencia pareciera que el ciclo combinado es el que nos mayor eficiencia energética, aunque no se si los inconvenientes mencionados se puedan disminuir.
- 12. XI 4. Responde las siguientes preguntas: ¿Qué es un ciclo de refrigeración? En este ciclo de refrigeración el refrigerante se evapora y se condensa, comprimiéndolo, alternativamente para luego volver a la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos: 1 Compresión isentrópica en un compresor. 2. Disipación de calor a presión constante en un condensador. 3. Estrangulamiento en un dispositivo de expansión y consiguiente evaporación. 4. Absorción de calor a presión constante en un evaporador. De acuerdo a los procesos anteriores, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado de la disipación de calor hacia el entorno. ¿Qué propiedades debe tener un refrigerante? • El Punto de Congelación debe ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema para evitar congelaciones en el evaporador. • El calor latente de evaporación debe ser lo más alto posible para que una pequeña cantidad de líquido absorba una gran cantidad de calor. • El volumen específico debe ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en las líneas de aspiración y compresión. • La densidad debe ser elevada para usar líneas de líquidos pequeñas. • Las presiones de condensación deben elevarse, para evitar fugas y reducir la temperatura de condensación.
- 13. XII • No son líquidos inflamables, corrosivos, ni tóxicos. Además deben tener una baja conductividad eléctrica. Explica el ciclo de Carnot inverso. El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot. Explica el ciclo de refrigeración de Brayton. Al considerar el ciclo de refrigeración de gas de Brayton en la podemos concluir que: Durante el proceso efectuado el gas se comprime isentropicamente y se aumenta la temperatura. El gas a presión y temperatura altas, durante el proceso, se enfría a presión constante rechazando el calor hacia los alrededores.
- 14. XIII Durante el proceso se efectúa una expansión isentrópica en la turbina y disminuye la temperatura del gas hasta T4. El gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1. Los procesos anteriormente descritos son internamente reversibles. el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas o Brayton inverso. En un diagrama T-s, el área bajo la curva del proceso final representa el calor removido del espacio refrigerado; el área encerrada durante el ciclo representa la entrada neta de trabajo. ¿Qué es una bomba de calor? Las bombas de calor sirven para aire acondicionado, pero también para calefacción, si el aparato es reversible. Es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Lo contrario sería un refrigerador. El funcionamiento de una bomba de calor es el mismo que el de un refrigerador o aire acondicionado, solamente que cambian el objetivo. Mientras que el aire toma calor de un espacio caliente y lo lleva a un espacio frío para que se enfríe, la bomba hace todo lo contrario. REFERENCIAS athanieto.wordpress.com. (s.f.). Ciclo de refrigeración. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de https://athanieto.wordpress.com/tematicas/segundo-principio-de-la-termodinamica/ciclo-de- refrigeracion/ eribera. (s.f.). TURBINAS A GAS. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de Termodinámica Técnica: http://eribera_bo.tripod.com/ciclo_brayton.html GRUPO 1MI131 TERMODINÁMICA II. (18 de noviembre de 2013). CICLO DE REFRIGERACIÓN DE CICLO DE CARNOT INVERSO. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de http://termo2- 1mi131.blogspot.com/2013/11/ciclo-de-refrigeracion-de-ciclo-de.html Menna. (19 de octubre de 2018). Ciclo Otto | Tipos, fases y como funciona. Recuperado el 19 de agosto de 2019, de http://como-funciona.co/el-ciclo-otto/
- 15. XIV mundohvacr. (2007). Los Refrigerantes y sus Propiedades. Recuperado el 9 de agosto de 2019, de https://www.mundohvacr.com: https://www.mundohvacr.com.mx/2007/02/los-refrigerantes-y- sus-propiedades/ Naturgy. (s.f.). Ciclos combinados de gas natural: tecnología punta y desarrollo sostenible. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de https://www.naturgy.es/es/conocenos/compromiso+y+sostenibilidad/cambio+climatico/energias +responsables/1297101993224/ciclos+combinados.html Nergyza. (11 de mazo de 2013). ¿Qué es una bomba de calor? Recuperado el 9 de agosto de 2019, de https://nergiza.com/que-es-una-bomba-de-calor/ Paredes, S. F. (8 de abril de 2015). ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de RENOVETEC: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/25938/TFG%20Sergi%20Fuste.pdf Shaper, J. (2014). Centrales termicas de Ciclo combinado. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de Energía y Sostenibilidad: http://www.cicloscombinados.com/index.php/el-ciclo-brayton tuaireacondicionado.net. (2018). Propiedades de un refrigerante ideal. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de https://tuaireacondicionado.net UNADM. (s.f.). TERMODINAMICA II. Recuperado el 22 de JULIO de 2019, de UNIDAD 1. EXERGIA: https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%201/ER/03/ETER2_ 300518/U1/U1Exergia.pdf Universidad de Sevilla . (s.f.). Ciclo Otto. Recuperado el 8 de agosto de 2019, de Departamento de Física Aplicada: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Otto Zapata, F. (s.f.). Ciclo de Carnot: etapas, aplicaciones. Recuperado el 07 de agosto de 2019, de lifeder.com: https://www.lifeder.com/ciclo-de-carnot/