TEMA8 Trabajo Potencia General Ida Des

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 8. TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES

TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 8. Trabajo y potencia. GeneralidadesTema 8. Trabajo y potencia. Generalidades

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

TEMA 8: TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

OBJETIVOS1. Conocer las principales formas

de generación y consumo de energía mecánica y eléctrica en la Industria Química

2. Analizar con detalle los fundamentos de los procesos de compresión y expansión y sus formas de cálculo

3. Comprender los fundamentos de las máquinas térmicasutilizadas en los ciclos de producción de trabajo

2



• INTRODUCCIÓN: Trabajo y potencia en la Industria Química

• COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN

• Compresores

• Eyectores

• Cálculo de compresiones y expansiones

• CICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO

• Máquinas térmicas



• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: N: TrabajoTrabajo y y potenciapotencia en la en la IndustriaIndustria QuQuíímicamica


• Compresores

• Eyectores




3


Introducción

• INDUSTRIA QUÍMICA:

• Trabajo ←→ Compresión y expansión. (No se tratan motores eléctricos)

• Consumo:

• Compresión:(más importante)

• Transporte y flujo

• Acondicionamiento de corrientes

• Dispositivos neumáticos e hidráulicos

• Agitación (motores eléctricos)

• Transporte de sólidos (motores eléctricos)

• Molienda (motores eléctricos)

• Producción:

• Ciclos de potencia.

• Cogeneración:

• Turbinas de vapor.

• Turbinas de gas y motores de combustión interna (MCI).

• EN LA INDUSTRIA:

• Generación de energía eléctrica:

• Ciclos de potencia (Turbinas de vapor, turbinas de gas y MCI).

• MCI




• COMPRESICOMPRESIÓÓN Y EXPANSIN Y EXPANSIÓÓNN

• CompresoresCompresores y y turbinasturbinas

• Eyectores




4


Compresores y turbinas

TURBINAS

• Dispositivos que accionan los

generadores eléctricos en centrales de

energía de vapor, gas o

hidroeléctricas

• Cuando el fluido pasa por la turbina

ejerce trabajo sobre los álabes que

están unidos al eje. En consecuencia

el eje gira y la turbina produce w

• El trabajo efectuado en una turbina es

positivo (salida w)

• Producen energía

• Eficacias isoentrópicas>90% turbinas

grandes bien diseñadas; turbinas

pequeñas 70-90%

COMPRESORES

• Los compresores aumentan la

presión de un fluido

• El trabajo es suministrado por

una fuente externa mediante

un eje giratorio

• El trabajo de entrada al

sistema es negativo

• Consumen energía

• Eficacias isoentrópicas 75-85%

• TQ despreciable (q=0) en

turbinas (bien aisladas) y

compresores (sin

enfriamiento)

ΔEcin, ΔEpot ≈ 0w = ΔH


Compresión

• COMPRESORES (<3%ΔP → ventiladores)

• Rotativos (Continuous-flow compressors)

• Flujo axial

• Centrífugos (flujo radial)

• Desplazamiento positivo (Positive displacement compressors)

• Alternativos

• Rotatorios

• Eyectores

5


Compresores rotativos

COMPRESORES ROTATIVOS DE

FLUJO AXIAL

• Funcionamiento inverso al de una

turbina

• El movimiento de los álabes crea

un gradiente de P de dirección

axial

• La Ecin se transforma en Epresión

• Los álabes fijos detienen el fluido

• Se emplean para flujos

importantes de Pdescarga no muy

elevada (30-80 psia)

• Relación de compresión 1.2-1.5

por etapa y 5-6.5 por compresor


Compresores rotativos

COMPRESORES ROTATIVOS

CENTRÍFUGOS (flujo radial)

• El fluido aumenta su Ecin a medida que

recorre el álabe y se amplia el camino

de flujo para transformar la Ecin en

Epresión

• La aleta del difusor es la que detiene al

fluido

• Trabajan con una Pmax de salida de

3000-5000 psia

• Relación de compresión 3-4.5 por

etapa y 8-12 por compresor

• No cierres, mejor mantenimiento y

menos rozamientos

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Compresores desplazamiento positivo

COMPRESORES DESPLAZAMIENTO POSITIVO ALTERNATIVO

• Es el más empleado

• Actúan reduciendo el volumen ocupado por el gas

• Dotados de válvulas de admisión y salida, y el pistón

• El problema son los cierres mecánicos (lubricación)

• 1ª cámara, COMPRESIÓN ⇒ CAMBIADOR (enfriamiento) ⇒ 2ª

cámara, COMPRESIÓN


Compresores desplazamiento positivo

COMPRESORES DESPLAZAMIENTO

POSITIVO ROTATORIO

• Crean una cámara de admisión

que reduce el V en el proceso

• Tornillo sin fin

• Se emplean para flujos bajos y

altas presiones 35000-50000

psia

• Relación de compresión 4-10

por etapa y tantas etapas como

se deseen (n), siempre que se

refrigere entre ellas

• Pueden trabajar a vacío (hasta

2 psia) invirtiendo el sentido

LÓBULOS

HUSILLO

PISTÓN

7





• Compresores

• EyectoresEyectores





Eyectores

• Compresión de un vapor/gas utilizando la expansión de otro

• Consumen vapor vivo (normalmente 30-35 bar)

• No tienen piezas móviles

• Mezclan vapor vivo con el fluido de proceso

• Grandes caudales, bajas presiones (pero...)

• La tobera tiene unos márgenes estrechos de operación

• Pueden utilizarse en serie (vacío: 2 etapas → 10 mmHg; 5 etapas →

0.05 mmHg).

• Utilización prioritaria en vacío

• Fuera de características → baja eficacia: varios en paralelo, regulación

todo/nada

• Para economizar vapor se condensa entre las etapas (reduce el

consumo de vapor de alta)

8


Eyectores


Eyectores

9





• Compresores

• Eyectores

• CCáálculolculo de de compresionescompresiones y y expansionesexpansiones




Cálculos de compresión en gases

PROCESOS DE COMPRESIÓN CASOS EXTREMOS:

1-PROCESO ISOTERMO (PV = cte) (el sistema va cediento calor para

mantener T = cte y consumiendo la menor cantidad de w posible)

2-PROCESO ISOENTRÓPICO (PVγ = cte; γ = Cp/Cv) (adiabático y

reversible)

El proceso de compresión real se aproxima al adiabático (no isoentrópico -

> irreversibilidades). Opción: Proceso politrópico:

*PROCESO POLITRÓPICO (PVn = cte; 1<n<γ) (incluye un poco de

enfriamiento)

nn

nn

u

PPTT

PPRT

nnw

1

1

212

1

1

21 1

1

−

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

10


• GAS IDEAL, PROCESOS REVERSIBLES

• Isotermos:

• Adiabáticos reversibles (isoentrópicos):

• GAS IDEAL, PROCESOS IRREVERSIBLES


21

1

22 1

1

1 , 0.4 ( .)

.2857 ( .)

p

p

R C

u p

R C

Pw CpT R C monoatP

PT T diatP

⎧ ⎡ ⎤⎛ ⎞⎪ ⎢ ⎥= − =⎜ ⎟⎪ ⎢ ⎥⎝ ⎠⎪ ⎣ ⎦⎨⎪ ⎛ ⎞

= =⎪ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩

( )2 1lnuw RT P P=

1 2 22 1

1 1

11 , 1 1p pR C R C

us s

CpT P Pw T TP Pη η

⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= − = + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦


• GAS REALES, PROCESOS IRREVERSIBLES


1) Cálculo de la T2 isoentrópica:

• Cálculo de la entalpía isoentrópica:

• Cálculo de la entalpía real:

2

1

21 2 2

1

( )ln 0ST p

ST

C T PS dT R S S TT P

′ ′Δ = − + Δ − Δ = →∫

S

s

HHηΔ

Δ =

'')( s

T

Tps HHdTTCH

s

21

2

1

Δ−Δ+=Δ ∫

ideal

)()(,,

22

22 221TT

HHs

s

s

cteS sη=

→→

Mezclas: EoS + reglas de mezcla + Diagramas termodinámicos

H

P

1

22s

P1

P2

μs

S = cte

H2s H2

11



• En general la compresión ISOTÉRMICA requiere menos trabajo que la ISOENTRÓPICA

WuISOT < Wu

ADIAB

• En la ISOENTRÓPICA al no retirar q, la T de salida es mayor

• DIAGRAMA T-SEl proceso de compresión real me desvío de la idealidad hacia la derecha (T mayor)Parte de la E se degrada y aumenta la T (q=0)T2 isoentrópica es la menor que se puede lograr

• DIAGRAMA P-VEl proceso de compresión real me desvío de la idealidad hacia la derecha (T mayor)

V

P

P2

P1

ISOT

ADIAB

T1

T2

S

T S = cte

T = cte

P1

real

P2


Eficacia isoentrópica del compresor

• Los compresores no son ideales• Los procesos de compresión reales se

aproximan al caso ADIABÁTICO (no isoentrópico)

• Se producen una serie de irreversibilidades (rozamientos mecánicos)

• Necesario definar la EFICACIA (isoentrópica) (medida de la desviación del proceso de la idealidad)

real

CpR

p

real

uS

sS

w

PPTC

ww

hhhh

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

==η

−−

=η

11

21

21

21 EFICACIA ISOENTRÓPICA (COMPRESOR)

Relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la P de un gas a un valor específico de una manera isoentrópica (wu) y el trabajo de entrada real (wreal)

DIAGRAMA DE MOLLIER

S

H

2

2s

1

P2

P1

12


• Compresión por etapas múltiples con enfriamiento intermediose emplea para minimizar el trabajo de compresión (acercando el proceso de compresión al isotérmico)

• Es un proceso atractivo cuando un gas se va a comprimir a presiones muy elevadas

• En cada etapa se vuelve a la temperatura inicial

• “Para minimizar el trabajo de compresión en dos etapas , la relación de presiones a través de cada etapa del compresor debe ser la misma

Compresión con refrigeración entre etapas

x

x

PP

PP 2

1

=

El tamaño del área sombreada depende de Px⇒ Minimizar el wcompresión

El nº etapas debe reducirse en lo posible pq la η aumenta cuando la relación de compresión aumenta. Más etapas ⇒ Más irreversibilidades

DOS ETAPAS


Expansión

• EXPANSIONES EN LA INDUSTRIA QUÍMICA

• Acondicionamiento de corrientes

• Producción de trabajo: aprovechando la E de presión de un gas o

vapor

• Para enfriar (al expandirse toma E de su U y reduce su T)

Se lleva a cabo entre dos EXTREMOS

LIMITANTES:

PROCESO ISOTERMO (el sistema va recibiendo

calor y Produciendo la mayor cantidad de w

posible)

PROCESO ISOENTRÓPICO (adiabático y

reversible)

*EXPANSIÓN DE JOULE THOMSON (Estrangulación

adiabática, isoentálpica ideal sin produccción de w)S

H

1

22

P2

P1

ISOT

ISOH

ISOS

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Eficacia isoentrópica de turbinas

• Las turbinas no son ideales• Los procesos de expansión reales se

aproximan al caso ISOENTRÓPICO (no isotérmico)

• Se producen una serie de irreversibilidades (rozamientos mecánicos, pérdidas calor ambiente...) en los que se pierde energía en aumentar la S

• Necesario definar la EFICACIA INDICADA (isoentrópica) (mediada de la desviación del proceso de la idealidad)

u

real

SS w

whhhh

=−−

=η21

21

EFICACIA ISOENTRÓPICA (TURBINA)

Relación entre el trabajo real de la turbina (wreal) y la salida de trabajo que hubiese alcanzado si el proceso fuese isoentrópico (wu)

DIAGRAMA DE MOLLIER

S

H 1

22s

P2

P1

real


• ESTRANGULAMIENTO: Cuando un fluido pasa por una restricción (ej. válvula) disminuye su presión, su entalpía permanece aproximadamente constante y suele reducir su T (no siempre, puede aumentar, disminuir o permanecer constante)

• El comportamiento de la T de un fluido durante un proceso de estrangulamiento (h=cte) lo describe el coeficiente de Joule-Thomson

• Representa la pendiente de las líneas H = cteen un diagrama T-P

Expansión de Joule-Thomson

⎪⎩

⎪⎨

⎧

>=<

μ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=μ

disminuyeTcteTaumentaT

PT

H

000

Empiricamente o mediante EoS

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Expansión de Joule-Thomson

• Las líneas que pasan por puntos de pendiente nula (μ= 0) son las LINEAS DE INVERSIÓN

• La temperatura en los puntos donde la línea de entalpía constante corta a las líneas de inversión es la TEMPERATURA DE INVERSIÓN

• TEMPERATURA MÁXIMA DE INVERSIÓN: Intersección entre P = 0 y la parte superior de la línea de inversión

• La T de un fluido aumentará durante un proceso de estrangulamiento a la derecha de la línea de inversión

• La T de un fluido disminuirá durante un proceso de estrangulamiento a la izquierda de la línea de inversión

• Para que T disminuya durante un estrangulamiento necesario que el fluido se encuentre por debajo de la Tmax de inversión

0

1

=

μ=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

−−⇒⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

−+=

dH

PT

TVTV

CdP

TVTVdTCdH

HPpPp





• Compresores

• Eyectores


• CICLOS DE PRODUCCICICLOS DE PRODUCCIÓÓN DE TRABAJON DE TRABAJO

•• MMááquinasquinas ttéérmicasrmicas

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Ciclos de producción de trabajo

MÁQUINAS TÉRMICAS

Dispositivos especiales que convierten el calor en trabajo

CARACTERÍSTICAS GENERALES

1- Reciben q de una fuente de alta T (Esolar, hornos, reactores

nucleares...)

2- Convierten parte de ese q en w (normalmente en la forma de

un eje en rotación)

3- Liberan el q de desecho remanente en un sumidero de baja

temperatura (la atmósfera, ríos...)

4- Funcionan en un ciclo

El fluido al y desde el que se transfiere el calor cuando se

somete al ciclo se le denomina fluido de trabajo


Ciclos de producción de trabajo

• MÁQUINAS TÉRMICAS

• Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas: utilizan un

fluido secundario en la expansión (vapor) y generan

electricidad

Son máquinas de combustión externa. La Etérmica liberada

durante el proceso se transfiere al vapor como calor

• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de

combustión en la expansión

Son dispositivos que producen trabajo y que no operan en

un ciclo termodinámico

• Sistemas combinados

TEMA 9

TEMA 10

16


Problema


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. conocer las fuentes más habituales de consumo y producción de trabajo en la Industria Química

2. calcular procesos de compresión de gases ideales y reales en condiciones isotérmicas, isoentrópicas y politrópicas, eficacia isoentrópica de compresores y compresión multietapa con refrigeración intermedia

3. calcular procesos de expansión reversibles e irreversibles de gases y vapores, eficacia indicada para turbinas y coeficiente de expansión de Joule-Thompson

4. conocer los tipos y fundamentos de las máquinas térmicasempleadas en los ciclos de producción de trabajo

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 8. TRABAJO Y POTENCIA. GENERALIDADES

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