INTRODUCCIONUNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica La temática que se aborda en este curso está asociada a Máquinas, Equipos y Sistemas o instalaciones térmicas. Operan con fluidos que experimentan cambios en sus propiedades (Presión, Temperatura, Volumen, Densidad, y otras.) Como consecuencia, permiten TRANSMISIÓN DE ENERGÍA. Interesan: La Energía transmitida en forma de: Calor….. y en forma de Trabajo……. (mecánico) ¿Dónde?: Máquinas Térmicas Prof. Sr. Ubaldo Zúñiga Q. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Centrales Térmicas: Plantas Termoeléctricas Plantas Térmicas Industriales Centrales solares térmicas, geotérmicas, nucleares Calderas y Generadores de Vapor Turbomáquinas (Turbinas de vapor, de gas, turbocompresores) Motores de Combustión Interna Compresores Sistemas de Refrigeración Bombas de Calor Máquinas Térmicas Prof. Ubaldo Zúñiga Q. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Asimismo: Quemadores y Cámaras de Combustión Hornos Intercambiadores de Calor Sistemas de Calefacción y Aire Acondicionado Torres de Enfriamiento Chillers, evaporadores, etc. Equipos y sistemas para tratar gases de combustión (ciclones, filtros de manga, precipitadores electrostáticos chimeneas industriales) Prof. Ubaldo Zúñiga Q. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica CHILLERS Un Chiller, o enfriador de agua, es un equipo industrial que produce agua fría para el enfriamiento de procesos industriales. También son de amplio uso en sistemas de climatización. Un chiller es un sistema completo de refrigeración que incluye un compresor, un condensador, evaporador, válvula de expansión (evaporación), refrigerante y tuberías, además de bomba de impulsión de agua a/desde el proceso, sistema electrónico de control del sistema, depósito de agua, gabinete, etc. Prof. Ubaldo Zúñiga Q. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Muchos equipos, tales como intercambiadores de calor, sistemas de calefacción, calderas, hornos y otros, son sistemas térmicos en los cuales la interacción energética fundamental es CALOR, el cual se transmite por conducción, convección o radiación Prof. Ubaldo Zúñiga Q. Combustibles y procesos de combustión Gases y vapores Flujos de fluidos Eficiencias Transferencias energéticas Efectos notorios visibles: Consumos de energía Efectos sobre el medio ambiente Aplicación de ingeniería térmica (análisis de MT). Ubaldo Zúñiga Q. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Aspectos habitualmente presentes son. cumplimiento de normas Máquinas Térmicas Prof. entre otros: Propiedades de la materia. Sr. permite: Optimización energética Aumento de producción Reducción de gastos Menores emisiones Certificaciones. Ubaldo Zúñiga Q. certificaciones. a pesar de que sus efectos. Máquinas Térmicas Prof. son en la actualidad relevantes. Sr. normativas y reglamentos en casi todos los países del mundo. . de manera cada vez más rigurosa. características y aplicaciones han estado presentes en la ingeniería desde sus inicios. En Chile hoy (desde hace muy poco tiempo) existe una institucionalidad energética y ambiental bien estructurada que actúa. particularmente en el plano medioambiental. evaluaciones y estudios referidos al sector térmico. La gran diferencia es que hoy el consumo energético y sus efectos Medioambientales están sujetos a legislación.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica La importancia de los análisis. la entidad que los transgrede puede sufrir fuertes sanciones. Ubaldo Zúñiga Q. minera o de cualquier índole. debe contar en la actualidad con una certificación ambiental. de manera que los efectos para esas empresas o instituciones pueden llegar a ser muy severos (incluso verse obligadas a cerrar). que se conoce como RCA (Resolución de Certificación ambiental). SMA . Prof. sujeta a ciertos compromisos en materia medioambiental. sea pública o privada. Si esos compromisos no se cumplen.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Todo proceso o aplicación industrial. La RCA permite llevar acabo una determinada actividad. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica DE MODO QUE: ¡¡¡¡¡HOY CONTAMINAR NO ES GRATIS -NI ESTA PERMITIDO.NI ES ACEPTADO POR LA COMUNIDAD!!!!! Si el efecto es debido a aplicaciones térmicas. entonces: LA INGENIERIA TERMICA: UNA HERRAMIENTA Prof. Ubaldo Zúñiga Q. . Llama Combustible . Ubaldo Zúñiga Q. Ejemplo: Polea Fuerza de Impulso (F = P*A) Biela Pistón Cilindro Manivela Preguntas: ¿Fluido de Trabajo? Vapor ¿Fuente de Calor? Combustible Calderín Correa Agua Vapor Gases de Escape Calor de combustión Entrada de aire Energía Eléctrica Generador Hogar o Cámara de Combustión Prof. LAS MAQUINAS TERMICAS son equipos en los que existen manifestaciones de energía. una de alta temperatura (TH) y una de baja (TL). principalmente expresadas en forma de calor y de trabajo (trabajo mecánico => movimiento de eje o mecanismos). el cual opera entre dos fuentes de temperatura.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica MAQUINAS TERMICAS – Descripción. Requieren para ello de un fluido. Ubaldo Zúñiga Q. en cuyo caso el calor fluye desde la fuente de alta temperatura a la de baja (QH QL) generando trabajo. producto de la acción de un fluido como sustancia de trabajo.QL Máquinas Térmicas Prof. Esquemáticamente. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Concepto de Máquina Térmica: Una Máquina Térmica es un sistema termodinámico que opera cíclicamente entre dos fuentes de temperatura (alta y baja) y a través de cuyas fronteras se intercambia calor y trabajo. o puede recibir trabajo de dispositivos externos lo cual hace que fluya calor desde el nivel de baja temperatura al de alta temperatura (QL QH) . la representación del primer caso (QH QL) puede hacerse de la manera siguiente: La diferencia entre QH y QL es Trabajo Neto WN WN = QH . (Fuente: Elaboración propia) La máquina térmica puede usarse para entregar trabajo a dispositivos externos. Ubaldo Zúñiga Q. .Representaciones diversas: Máquinas Térmicas UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Prof. QL |valores absolutos|. Sr. Wútil = WN = QH . Esto es. Así: Máquinas Térmicas ƞ =1- 𝑄𝐿 𝑄𝐻 Prof.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica El Rendimiento Térmico de una máquina térmica (se expresa como Ƞ) es una relación entre la energía útil generada por ésta (W) y la energía que se le debe suministrar (QH). Así se tiene: Energía útil η = -----------------------= Energía Suministrada Wútil ------------- QH Este trabajo útil es el trabajo neto. equivalente a la diferencia entre el calor de alta y el calor de baja. . Ubaldo Zúñiga Q. WN . Q L Máquinas Térmicas Prof. . Ubaldo Zúñiga Q. una máquina térmica también puede recibir trabajo de dispositivos externos. Ejemplo: En suma: Concepto de Máquina Térmica Máquina Máquina Máquina Térmica de sentido Inverso El trabajo. en todos los casos bajo este principio es: WN = Q H . con lo cual fluye calor desde QL QH.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Como se indicó antes. En este caso hablamos de una máquina térmica de sentido inverso. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica El rendimiento en el caso de una máquina térmica de sentido inverso es designado como β pero se conoce más ampliamente como COP (Coefficient of Performance: Coeficiente de Rendimiento). Ubaldo Zúñiga Q. Sr. . En los sistemas operando en sentido inverso hablamos de REFRIGERADOR. Máquinas Térmicas Sentido inverso COP = Prof. COP = La energía requerida (WN) es suministrada por un compresor en los sistemas por compresión de vapor. o de BOMBA DE CALOR (de calefacción) si la energía útil es QH. cuando la energía útil es QL. Prof. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica En todos los casos el COP es un valor que debe ser >1 (los valores pueden ir desde 2 hasta 6. Ubaldo Zúñiga Q. . una bomba de calor es un equipo térmico que puede operar tanto para calefacción como para enfriamiento o refrigeración (aire acondicionado).menor en sistemas de refrigeración y mayor en bombas de calor-) Máquinas Térmicas En la práctica. a diferencia de un ciclo de refrigeración que se emplea únicamente con ese propósito. ello. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Ejemplos de Máquinas Térmicas: MCI de tipo alternativos (cilindro-pistón): Motor Diesel. . geotérmicas) Máquina de Vapor (ya fuera de uso masivo) Motor Stirling (motor de aire caliente de combustión externa. inventado en 1816. nucleares. aún sin mayor uso masivo pero también aún en investigación en casos específicos) En estas máquinas térmicas el Calor fluye desde QH hacia QL) Máquinas Térmicas Prof. solares. Ubaldo Zúñiga Q. Motor Otto MCI de tipo rotatorios: Motor Wankel Turbinas de Gas (de Potencia y de Reacción) Turbinas de Vapor (Centrales termoeléctricas. 000 hp (3.000 to 13.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Ejemplos de Máquinas Térmicas de sentido inverso (calor fluye de la fuente de baja a la de alta temperatura): Refrigeradores Bombas de calor Ventiladores (industriales) Compresores (de todos los tipos) Turbocompresores Máquinas Térmicas Compresor centrífugo: available up to 4500 psig (310 bar) maximum working pressures and up to 35.000 to 37.300 kW) at design speeds from 4.600 rpm .300 m³/h) flows.500 acfm (60.000 to 45. Power ratings range from 4. Refrigerador. Compresor..UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Clasificación de las máquinas térmicas: En términos simples. de acuerdo a lo ya visto.etc. De manera que una primera clasificación es: A) En función del sentido de la transformación de la energía: Motores térmicos.máquinas en las que energía mecánica.máquinas que usan energía térmica. para obtener energía mecánica (Ejps. . Tgas.: BCalor.) WN QL Máquinas Térmicas QH Prof. Tvapor. etc. Sr.) Generadores térmicos. Ubaldo Zúñiga Q. se transforma en energía térmica (Ejps.. una máquina térmica es aquella que convierte energía térmica en mecánica y viceversa.: MCI. compresores centrífugos.: motores wankel. máquina a vapor. etc. etc.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Otra clasificación: B) En función del sentido del movimiento mecánico tenemos: Máquinas rotativas: Los elementos móviles giran (ejp. compresores rotatorios. Ubaldo Zúñiga Q.). . Máquinas alternativas o de émbolo: Transforman movimiento lineal de los émbolos en rotativo por mecanismos de bielamanivela (ejps.) Máquinas Térmicas Prof.: Motor de pistón. compresor alternativo. . Máquinas de combustión interna: aquellas que “queman” el combustible en el interior de la máquina. Compresores centrífugos. Ubaldo Zúñiga Q. Máquinas Térmicas Prof. Máquinas de flujo continuo: en ellas el fluido se comprime o se expande en su paso sin quedar atrapado (ejp. Sr.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica C) En función de la continuidad del fluido se tienen: Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas: aquellas en las que el fluido está confinado en un espacio concreto en las operaciones de compresión y o expansión. turbomáquinas). D) En función de la existencia de una combustión: Máquinas de combustión externa: aquellas que “queman” el combustible fuera de la propia máquina. Pueden ser de movimiento alternativo (émbolo) o rotatorios (rotor). Prof. . Ubaldo Zúñiga Q.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Máquinas de fluido Son aquellas que usan la energía de un fluido (líquido o gas) para (o por) transformaciones energéticas. siendo la ecuación de Euler su ecuación fundamental. >0 en turbinas. . Ec.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Turbomáquinas Son aquellas máquinas de fluido cuyo funcionamiento se basa en la variación del momento cinético del fluido. <0 en bombas Caudal másico u velocidad del rodete = 𝜔∗𝑟 c velocidad absoluta del fluido Prof. de Euler unidimensional Potencia “trasegada” por la máquina. Ubaldo Zúñiga Q. Ubaldo Zúñiga Q. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Prof. Ubaldo Zúñiga Q. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Turbina de vapor Turbina hidráulica Prof. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Turbomáquinas Según dirección del flujo Turbomáquinas radiales Turbomáquinas diagonales Prof. Turbomáquinas axiales . Ubaldo Zúñiga Q. Ubaldo Zúñiga Q. se efectúa siempre con variación de presión a diferencia de las turbomáquinas. el fluido cambia su estado debido a un órgano que se mueve (embolo. . en las que el intercambio de energía se realiza con variación de energía cinética. En las Turbomáquinas el fluido varía su energía (la gana o la pierde) en el Rotor.- En las máquinas de desplazamiento positivo. en las primeras. el fluido solo cambia la forma de la energía que posee. En el resto de la máquina. experimentando variaciones de presión gracias a las variaciones de volumen del órgano en que es retenido (por lo que también se les llama “volumétricas”) Esto es. Prof. ESTATOR. Una diferencia fundamental entre ambas (de desplazamiento positivo y turbomáquinas) es que el intercambio de energía del fluido. una cantidad determinada de fluido es retenida “positivamente” en su paso a través de la máquina. engranaje).UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica COMENTARIOS FINALES: 1°. membrana. Ubaldo Zúñiga Q. .Imágenes sobre máquinas de Desplazamiento Positivo UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Prof. se puede también decir que una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía. técnicamente.- Se puede señalar.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 2°. la compresibilidad del fluido no es despreciable siendo necesario considerar su influencia en la transformación de energía. Prof. Dada la variabilidad del volumen específico. que una máquina térmica es una máquina de fluido en la cual varía el volumen específico del fluido y donde los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes. se puede agregar que en las máquinas térmicas. generalmente a través de un eje. . mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Ubaldo Zúñiga Q. Recapitulando. 𝒎 = 𝝆𝑽𝑨 Asimismo. la Ley (o Principio) de Conservación de la energía (Balances de Energía) o Primera Ley de la Termodinámica. válida para el mismo flujo) Prof. respectivamente. donde los subíndices e y s corresponden a entrada y salida. .𝑾eje 𝑉2 𝑉2 = ∑𝑚𝑠 (ℎ + 2 + gz)s . ∑𝑚entrada . evaluación y cálculo de máquinas. SISTEMAS E INSTALACIONES TERMICAS Consideramos como la ecuación más fundamental para el análisis.∑𝑚salida e Máquinas Térmicas s = 0 (Ley de Conservación de masa.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica ECUACION FUNDAMENTAL DE LAS MAQUINAS. sistemas e instalaciones térmicas. cuya expresión general es: 𝑸 .∑𝑚𝑒 (ℎ + 2 + gz)e Válidas para sistemas abiertos (volumen de control) de flujo estacionario o estable. Ubaldo Zúñiga Q. Ubaldo Zúñiga Q..Intercambiador de Calor de Tubo y Carcaza Balance de masa: 𝑚ffe + 𝑚fce = 𝑚fcs + 𝑚ffs 𝑚ffe = 𝑚ffs = 𝑚ff 𝑚fce = 𝑚fcs = 𝑚fc • Balance de energía: 𝑸ff = 𝑚ff (hffs .hfce) (ver apartado para calor específico del En el caso ideal (sin pérdidas de energía). .hffe) Si el fluido es un líquido (o un gas –no vapor-): agua a distintas temperaturas) Máquinas Térmicas 𝑸fc = 𝑚fc (hfcs Δh = c ΔT .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica EJEMPLOS: • 1. 𝑸ff = 𝑸fc Prof. Bomba de agua Δu = cprom(T2 – T1) Válido para Sólidos y líquidos Δh = Δu + v ΔP = cprom(T2 – T1) + v (P2 – P1) (ya que v ≅ cte. (bombas de agua. un valor de c a la temperatura promedio se puede usar y tratar como una constante. Ubaldo Zúñiga Q. Si T = cte. (calentador de agua: ΔP ≅ 0): Δh = Δu ≅ cpromΔT 2.. .. Si P = cte. por lo tanto Δh = Δu ≅ cprom ΔT Líquidos: comúnmente se encuentran dos casos especiales: 1.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Calor específico del agua a distintas temperaturas Calentamiento de agua cp = cv = c Para pequeños intervalos de temperatura. ΔT ≅ 0): Δh = h2 – h1 = vf ΔP Prof.) Sólidos: el término v ΔP es insignificante. (b) la velocidad de transferencia de energía desde el vapor condensante al agua de refrigeración. Ubaldo Zúñiga Q.95 y el condensado sale a 0. Para una operación en estado estacionario. El agua de refrigeración entra al condensador como una corriente separada a 20°C y sale también como liquido a 35°C sin cambio en la presión.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Ejercicio 1: CONDENSADOR DE UNA PLANTA DE POTENCIA Al condensador de una central térmica entra vapor de agua a 0.𝑾eje 𝑉2 = ∑𝑚𝑠 (ℎ + 2 + gz)s 𝑉2 .∑𝑚𝑒 (ℎ + 2 + gz)e 𝑚fc h1 + 𝑚ff h3 = 𝑚fc h2 + 𝑚ff h4 Por lo cual: (h3 – h4 = c (T3 – T4)) Máquinas Térmicas (a) 𝑚ff 𝑚fc = hh3 −− hh 2 1 4 ≈ 36. 𝑚ff3 = 𝑚ff4 = 𝑚ff 𝑚fc1 = 𝑚fc2 = 𝑚fc 𝑸 . determínese: (a) la relación de caudales entre el agua de refrigeración y el vapor condensante. El calor transferido al entorno del condensador y las variaciones de las energías cinética y potencial de las corrientes pueden despreciarse. .1 bar y 45°C.3 Prof.1 bar con un titulo de 0. en kJ por kg de vapor que pasa a través del condensador. h1) 𝑸fc 𝑚fc = h2 . . para el cual se cumplen los limites de la velocidad del aire a la entrada y de la temperatura del aire a la salida. Por control de la temperatura. Los componentes electrónicos y el ventilador reciben.45 . la velocidad del aire no puede superar la velocidad de 1.e potencia eléctrica. (M&S pág.3 m/s) ρ: densidad = 1/v A: área transversal Máquinas Térmicas Prof.h1 =188. en cm.1 = -2276. Para el control del ruido. Determínese el mínimo diámetro de entrada al ventilador. Ejercicio 2: REFRIGERACION DE LOS COMPONENTES DE UN COMPUTADOR Los componentes electrónicos de un computador se refrigeran mediante un flujo de aire que atraviesa un ventilador montado a la entrada del recinto electrónico.2465. 80 W y 18 W . Ubaldo Zúñiga Q. la temperatura del aire a la salida no puede superar los 32°C. El aire entra en estado estacionario a 20°C y 1 atm.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica La respuesta para el caso (b) viene dada por: 𝑸fc = 𝑚fc (h2 .3 m/s. respectivamente. 173) Para obtener el diámetro de entrada puede usarse: 𝒎 = 𝝆𝑽𝑨 V: velocidad (V1=C1= 1.7 kj/kg El signo negativo indica que la energía es transferida desde el vapor condensante al agua de refrigeración. Pv =RT) Máquinas Térmicas Prof. esto es.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Los términos subrayados son despreciables (se considera que no hay intercambio de calor con el medio externo) Wvc representa la potencia eléctrica total. Así: (h2 – h1 = c (T2 – T1)) Reemplazando en la expresión de flujo: (gas ideal. . Ubaldo Zúñiga Q. .98 W (negativo porque “entra”). suministrada a los componentes electrónicos y el ventilador:. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 2.02 kg/s y ocurre una pérdida de calor de 16 kJ/kg durante el proceso.74 KW Máquinas Térmicas Prof. Ubaldo Zúñiga Q.2. en kW. Si se supone que los cambios de energía cinética y potencial son insignificantes. . El flujo másico del aire es 0.𝑾eje 𝑉2 𝑉2 = ∑𝑚𝑠 (ℎ + 2 )s .∑𝑚𝑒 (ℎ + 2 )e ΔEP ≈ 0 Para gases Δh = cp ΔT Ejercicio: Considere Aire a 100 kPa y 280 K que se comprime en régimen estacionario hasta 600 kPa y 400 K. determine la entrada de potencia necesaria al compresor. Respuesta: .Compresor Centrífugo con Interacción Térmica • Balance de masa: 𝑚fe = 𝑚fs = 𝑚f • Balance de energía: 𝑸 . UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Compresores que pueden considerarse de flujo estacionario o estable: Compresor Centrífugo Compresor Axial La excepción a la regla son los compresores alternativos o de pistón. los cuales son sistemas cerrados que deben evaluarse de acuerdo a ello (como se verá más adelante en este curso). Tipo Roots Máquinas Térmicas Prof. . Ubaldo Zúñiga Q. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 3.𝑾eje 𝑉2 𝑉2 = ∑𝑚𝑠 (ℎ + 2 )s .9 (90%) y la velocidad 50 m/s. Ubaldo Zúñiga Q. Calcúlese la transferencia de calor entre la turbina y su entorno.Turbina de Vapor Ejercicio: Turbina de vapor con interacción térmica. En la entrada. (M&S pág. la temperatura 400°C y la velocidad 10 m/s.. la presión es 60 bar.1 bar.. A la salida la presión es 0. .Un flujo másico de 4600 kg/h entra a una turbina que opera en situación estacionaria. 164) • Balance de masa: 𝑚fe = 𝑚fs = 𝑚f • Balance de energía: 𝑸 . La turbina desarrolla una potencia de 1000 kW.∑𝑚𝑒 (ℎ + 2 )e ΔEP ≈ 0 Máquinas Térmicas Turbina de Flujo Axial Prof. el título 0. en kW. 2/831. . De igual modo la pérdida de calor al entorno (ciertamente de signo negativo) es baja comparada con la potencia desarrollada (61. Ubaldo Zúñiga Q.3/1000) Máquinas Térmicas Prof.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Se observa que la variación de energía cinética es pequeña respecto de la variación de entalpía (1.8). A la salida. El vapor fluye a través de la tobera con una transferencia de calor despreciable y con un cambio insignificante de su energía potencial. y una velocidad de 10 m/s. en m2.. En un difusor el gas o liquido se desacelera en la dirección del flujo. El flujo másico es de 2 kg/s. Ubaldo Zúñiga Q. Las toberas y difusores para flujos de gas a elevada velocidad también pueden estar constituidas por una sección convergente seguida de otra divergente 1 V2 > V1 1 2 V2 < V1 2 Ejercicio: A una tobera que funciona en estado estacionario entra vapor de agua con p1 = 40 bar. p2 = 15 bar y la velocidad es de 665 m/s.Toberas y Difusores Una tobera es un conducto de sección variable en el que la velocidad del gas o liquido aumenta en la dirección del flujo. Determínese el área de la sección de salida de la tobera. Máquinas Térmicas Prof. T1 = 400°C. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 4. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Área de la sección de salida (y de entrada) puede obtenerse de: 𝒎 = 𝝆𝑽𝑨 (V = C = Velocidad) Ley de Conservación de la Energía: Máquinas Térmicas Prof. Ubaldo Zúñiga Q. respecto de la energía o potencia que se debe suministrar al equipo o sistema para obtener esa salida útil.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA Eficiencia (o Rendimiento) es uno de los términos más usados en la ingeniería térmica e indica qué tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía. La eficiencia se expresa en términos de la energía o potencia disponible para usar (que podemos llamar salida útil). . Ubaldo Zúñiga Q. Esto es: Salida útil (Energía o Potencia) Eficiencia = Rendimiento = Energía (o Potencia) suministrada Máquinas Térmicas Prof. el cual. PERDIDAS De Calor COMBUSTIBLE Temperatura ambiente CAMARA DE COMBUSTION Entonces el rendimiento del equipo de combustión se puede caracterizar por la eficiencia de combustión. Ubaldo Zúñiga Q. es “la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una unidad de combustible y los productos de la combustión se enfrían a la temperatura ambiente”. La eficiencia de un equipo que quema combustible se basa en el Poder Calorífico del combustible (PC). en consecuencia. la cual se define como: Cantidad de calor liberado durante la combustión ƞcombustión = Máquinas Térmicas Poder calorífico del combustible quemado Prof. la cantidad de calor liberada durante un proceso de combustión sería igual al poder calorífico del combustible. en términos prácticos. . Una eficiencia de combustión de 100 por ciento indica que el combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la cámara de combustión a temperatura ambiente.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica La eficiencia en la conversión de energía para un calentador o estufa a base de gas es mucho menor que la de un calentador o estufa eléctrica. Máquinas Térmicas Prof.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Ciertamente el calor liberado durante la combustión es generalizadamente menor que el poder calorífico por lo que la eficiencia de combustión será siempre menor del 100%. Ubaldo Zúñiga Q. EL valor final de la eficiencia de combustión dependerá de una serie de factores entre los cuales se tienen: la tecnología usada. calidad del combustible. El calor liberado. temperaturas de reactivos. velocidades de alimentación de aire y combustible. o calor útil. cantidad de aire usada para la combustión. es habitualmente obtenido en la práctica en función de las pérdidas que se presentan en el equipo de combustión. de manera tal que: Esta forma. Etc. etc. . expresada en términos de las pérdidas se conoce como el método indirecto en el cálculo de la eficiencia de combustión (el método directo debe considerar el cálculo del calor útil en forma directa). una bomba o un ventilador reciben trabajo en el eje. Un compresor.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Eficiencia en la conversión de energía mecánica en eléctrica.La transferencia de energía mecánica normalmente se lleva a cabo mediante Un eje rotatorio.salida 𝑊 isoentrópica Prof.salida 𝑊 elec. y lo transfieren al fluido. . Ubaldo Zúñiga Q. una turbina genera trabajo en el eje por la acción de un fluido y lo trasfiere.entrada Ƞbomba = Máquinas Térmicas 𝑊 isoentrópica 𝑊 real. Por otro lado. a un generador eléctrico para que éste genere a su vez energías eléctrica.salida 𝑊 eje.entrada Ƞgenerador elec = 𝑊 elec. Motor eléctrico Eje bomba Ƞmotor elec = 𝑊 eje.entrada Ƞturbina = 𝑊 real. de ahí que el trabajo mecánico se denomine trabajo de eje o trabajo en el eje. comúnmente de un motor eléctrico. 76 = ƞturbinaƞgenerador = 0.97% => turbina-generador => ƞ turbina-generador ƞ = ƞturbinaƞgenerador bomba-motor = 0.75*0. . Ubaldo Zúñiga Q.73 El uso de motores de alta eficiencia => Eficiencia Energética Máquinas Térmicas Prof.95 = 0.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica la eficiencia combinada o global de las combinaciones entre bomba-motor y turbinagenerador es: ƞ bomba-motor =ƞ bomba Ejemplos: ƞbomba = 80% ƞ turbina = 0. ƞ motor ƞmotor = 95% = 0.97=0.8*0.75% . ƞ generado ƞ . salida / 𝒎combustible* PC Puede demostrarlo? ηcombustión = ƞcaldera = ηtérmico = ƞciclo = 𝑸vapor 𝒎combustible* PC 𝑾eje.salida 𝑊 eje.salida 𝑸vapor Ƞgeneradoror elec = 𝑊 elec.salida ) Máquinas Térmicas Prof. puede representarse por: ƞ planta =ƞ combustión ƞ térmica ƞ generador = 𝑾elec.entrada (𝑊 eje.entrada = 𝑊 eje. .UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica La eficiencia térmica global de una central termo-eléctrica de vapor (ciclo Rankine). Ubaldo Zúñiga Q. o rendimiento de planta. . Obsérvese que la eficiencia es muy baja (26 %).Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. . porque es un ciclo simple de baja presión. las centrales de vapor pueden alcanzar eficiencias > 40 %. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y 350 °C y es condensado en el condensador a una presión de 75 kPa. Ubaldo Zúñiga Q. (Cualquier punto de aumento superior es relevante) Prof.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica EJEMPLO Ciclo Rankine ideal simple 1. Determine la eficiencia térmica de este ciclo y el trabajo neto. ello o también. 3 KW = 26.724 kW ≈ 6.061.3 KW 𝑊 real. .26.2 KW = 6.𝑊 real.28 kW = 0.entrada bomba = Ƞbomba 𝑊 isoentrópica bomba = 0.058 KW = 6.salida turbina = Ƞturbina 𝑊 isoentrópico turbina = 0.entrada 𝑊 isoentrópica turbina = 𝑚 vapor (h3 – h4) = 10 Kg/s * 713.415 %. de la bomba 86 %. y el del generador es de 97 %.salida generador = Ƞgenerador elec * 𝑾eje.275. Máquinas Térmicas Prof. Ubaldo Zúñiga Q. obtenga la potencia eléctrica que entrega el generador eléctrico.97 * 6.06 MW Observe la relación: 𝑊 bomba / 𝑊 turbina = 26. el flujo másico de vapor que sale de la caldera es de 10 Kg/s.058 kW/ 6.058 KW 𝑊 neta = 𝑊 real. Ƞturbina = 𝑊 real.Si para el ciclo anterior. Esta relación (ya sea con valores reales o ideales) es llamada Trabajo de Retroceso..28 KW Esquema para el ciclo simple anterior 𝑊 isoentrópica bomba = 𝑚 agua vf (P2 – P1) = 10 kg/s * 3.entrada = 0.88 * 7131 KW = 6. el rendimiento de la turbina es 88 %.86 * 30.249. lo cual indica que la energía requerida para mover la bomba de agua es bastante baja en comparación a la generada por la turbina.249.1 kJ/kg = 7131 KW 𝑊 real.25 MW 𝑾elec.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 2.salida turbina .entrada bomba = 6275.2 KW ≈ 6.salida 𝑊 isoentrópico 𝑊 real. Se aprecia que es una relación muy pequeña.28 KW .salida Ƞgenerador elec = Ƞbomba = 𝑊 isoentrópico 𝑊 elec.03 kJ/kg = 30.275.00415 ≈ 0.entrada 𝑊 eje. .22898 ≈ 22.1 .799 (kg/s)*42.9 % ƞplanta = 0.UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica 3.290.290.Como parte final del ejercicio.700 (kJ/kg) = 0. considere que la eficiencia de combustión (de la caldera por supuesto) es de 80 % siendo el combustible usado petróleo diesel A1 (de bajo contenido de azufre ≈ 15 ppm).6 (kJ/s) / 0.799 (kg/s) ƞ planta =ƞ combustión ƞ térmica ƞ generador = 𝑾elec.387.6 kJ/kg + 384. 177 = 17.724 kW / (0.8 * 0.04) kJ/kg = 27.061. ηcombustión = ƞcaldera = 𝑸vapor = 𝑸vapor 𝒎combustible* PC 𝑚v (h3 .97 = 0.7 % La eficiencia térmica real de la planta (22.6 kW = 0.17767 ≈ 17. 7 % Calculado en términos del producto de las eficiencias: ƞtérmica = 𝑊 neta / 𝑸vapor = 6.700 kJ/kg. Máquinas Térmicas Prof.8*42. .2 kW / 27. Cuyo poder calorífico es de 42.h2’) = 10 kg/s * (3116.salida / 𝒎combustible* PC Ƞcentral = 6.6 KW h2’ = wreal.44 = 387.entrada bomba + h1 = 2.9%) es ciertamente menor que la eficiencia teórica (26%).290.249.229 * 0.700 (kJ/kg)) = 0.04 kJ/kg 𝒎combustible = 𝑸vapor / (ƞcaldera * PC) = 27. Ubaldo Zúñiga Q. Obtenga la cantidad de combustible usado y la eficiencia de la central termoeléctrica.