tema 1-0 introduccion

TEMA 6 – ANALISIS DIFERENCIAL MIGUEL ANGEL ORTIZ MIRA

E.P.S. – I.T.I. ELECTRICOS Y MECÁNICOS - FLUIDOS – CURSO 2011/12

Dpto de Máquinas

y Motores Térmicos

Dpto de Máquinas

y Motores Térmicos

TEMA 1TEMA 1

TEMA 6 – ANALISIS DIFERENCIAL MIGUEL ANGEL ORTIZ MIRA

E.P.S. – I.T.I. ELECTRICOS Y MECÁNICOS - FLUIDOS – CURSO 2011/12

Dpto de Máquinas

y Motores Térmicos

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TEMA 1TEMA 1

•INTRODUCCION

•PSICROMETRÍA

1.1 CONCEPTOS DE TERMODINÁMICA

1.1.1 DEFINICIONES, VARIABLES Y UNIDADES TERMODINÁMICAS

PRESIÓN.- Campo escalar, que da lugar a esfuerzos normales y de compresión en una superficie. Las unidades de presión y sus factores de conversión son: [p = F/S]

- S. I.: Pa (Pascal = N/m2), bar = 105 Pa, Mpa =106 Pa, Kpa =103 Pa.

- kgf/cm2: 9,8N/kgf · 104 cm2/m2 � 1kgf/cm2 = 9,8 · 104 Pa

- mca.: 103 kg/m3 · 9,8 m/s2 · H � 1mca = 9,8 · 103 Pa- cm de Hg: 13,6·103 kg/m3 ·9,8 m/s2 ·H·1m/100cm � 1cm Hg = 13,6·9,8·10 Pa

- Atm.: 1 atm = 1.013 bar � 1 atm = 101.300 Pa

1. INTRODUCCIÓN



Presión absoluta: es la que tiene un recinto respecto al vacío, p = 0

Presión relativa: es la que tiene un recinto respecto a la presión atmosférica, pudiendo ser + ó – según sea mayor o menor que la atmosférica.

En cualquier caso Pabsoluta = Patmosferica + Prelativa

1. INTRODUCCIÓN



Aparatos de medición de la presión:

- Presión absoluta, barómetro.

- Presión relativa positiva, manómetro.- Presión relativa negativa, vacuómetro.

- Diferencias de presión, manómetro diferencial.

1. INTRODUCCIÓN



TEMPERATURA.- Es el nivel térmico de un cuerpo, considerado como referencia para la posibilidad de transferir calor a otros cuerpos, su unidad es el grado centígrado y las escalas son Celsius (ºC) y Kelvin o absoluta (K). La conversión K = ºC + 273,15.

CALOR.- Es una forma de energía en tránsito entre dos cuerpos a distintas temperaturas, por el criterio de signos es: (+ ) si entra en el sistema y (– ) si sale de él.

1. INTRODUCCIÓN



CALOR ESPECIFICO (Ce).- El Ce de una sustancia es la cantidad de calor que hace falta suministrar a 1 Kg de dicha sustancia para elevar 1K su temperatura. Su unidad es el kJ/kg.ºC o habitualmente Kc/Kg.ºC

Para el transporte de calor interesa utilizar sustancias con Ce alto, ya que así se necesitará menos masa. Q = m·Ce·(TF - TI ), si no hay cambio de estado.

El agua tiene un Ce = 1Kc/Kg ºC y el aire tiene un Ce = 0,24 Kc/kgºC.

Según el proceso, el calor específico puede ser evaluado a presión constante, Cp, a volumen constante Cv, o genérico Ce.

1. INTRODUCCIÓN



TRABAJO.- Es otra forma de energía en tránsito de un cuerpo entre dos estados a niveles energéticos distintos. En los gases se define como: por tanto seránulo si el proceso es a v = cte.

ENERGÍA INTERNA.- Propiedad del sistema, se define como: ∆U =m·cV ·(TF - TI ), coincide con el valor de la trasferencia de calor a V = cte.

ENTALPIA.- Propiedad del sistema, se define como: ∆H = m·cP ·(TF - TI ), coincide con el valor de la trasferencia de calor a p = cte.

1. INTRODUCCIÓN

∫ ⋅=f

idvpw



ENTROPÍA.- Propiedad de tránsito, se define: , en los procesos irreversibles se produce una generación de entropía que se evalúa mediante la ecuación de balance de entropías:

EXERGÍA.- Propiedad del sistema, se define como la capacidad de producir trabajo que tiene un sistema. La exergía o trabajo máximo, que un sistema puede producir es o sea, el calor aportado por el foco caliente por el rendimiento de Carnot.

IRREVERSIBILIDAD.- Propiedad de proceso de transferencia de energía, se define como: “la destrucción de la capacidad de producir trabajo que se ha producido sobre un sistema, sobre el que se ha efectuado una transferencia de energía”, su evaluación se realiza como: siendo σ la entropía generada en el proceso.

1. INTRODUCCIÓN

T

QS

&

=∆

1

2

1

2

1

2

1

212

p

pRLn

T

TLnc

v

vRLn

T

TLncss PV −=+=−

CCQA η⋅=

σ⋅= 0Tm

I

&

&



UNIDADES.- Su unidad en el S.I. es el Julio = N·m [J = N·m].

Es frecuente encontrar como unidad de esta energía la Kilocaloría (Kc) que es la cantidad de calor a suministrar a 1kg de agua para elevar su temperatura 1ºC, de 14,5ºC a 15,5ºC. 1Kc = 4,185 kJ

En refrigeración se emplea la Frigoría (Fr) que puede definirse como el calor que es necesario absorber de 1kg de agua para bajar su temperatura 1ºC (de 15,5ºC a 14,5ºC), 1Fr = 4,185 kJ, 1kW = 861,2 Fr/h.

POTENCIA FRIGORIFICA.- Es el calor por unidad de tiempo que es capaz de suministrar kC/h o kJ/s (condensador) o de absorber Fr/h o kJ/s (evaporador) de una máquina frigorífica.

1. INTRODUCCIÓN



CALOR SENSIBLE.- Energía calorífica que se emplea únicamente para variar la temperatura de una sustancia sin que cambie de estado.

CALOR LATENTE.- Energía calorífica necesaria para el cambio de estado de una sustancia, sin modificar su temperatura. El agua tiene dos calores latentes (p = 1 bar): el de fusión 80 kcal/kg = 334,8 kJ/kg y el de vaporización 540 kcal/kg = 2260 kJ/kg.

1. INTRODUCCIÓN



TRANSMISION DEL CALOR.- El calor se transmite desde un sistema a mayor temperatura a otro a menor temperatura.

Existen tres métodos de transmisión del calor: - Conducción

- Convección

- Radiación.

1. INTRODUCCIÓN



Conducción: Intercambio de energía entre partículas de un material por intercambio directo entre ellas, o sea sin transporte de materia. La característica de las sustancias que define su mayor o menor resistencia para la transmisión del calor por conducción, es la conductividad λ[Kc/h.ºC.m], cantidad de calor que atraviesa un cuerpo en una hora por ºC de diferencia de temperatura y metro de espesor del material, entre caras.

Las sustancias que tienen λ alta (metales) son buenos conductores.

Las sustancias que tienen λ baja son aislantes térmicos.

1. INTRODUCCIÓN



1. INTRODUCCIÓN



Convección: Transferencia de energía debido a difusión de calor y transporte de materia, se realiza entre un fluido en movimiento y la superficie con la que estáen contacto a distinta temperatura.

Convección libre: el movimiento del fluido es debido a la diferencia de densidadproducida por la diferencia de temperaturas del fluido.

Convección forzada: el movimiento es producido por algún agente externo que produzca el movimiento de las partículas de fluido (ventilador...)

1. INTRODUCCIÓN



Ley de Newton de la convección:

1. INTRODUCCIÓN

⋅=

Km

skJ

h2

d

h: Coeficiente de película o de convección



Radiación: Energía emitida por un cuerpo a Tº finita, es función de la orientación y de la temperatura, el transporte de energía es por ondas electromagnéticas, sin intervención de la materia.

- Ley de Stefan-Boltzman:

= constante de Stefan-Boltzman

Emisión máxima o de Cuerpo negro: σ = 5,67·10-8 J/s·m2·K4

Si la emisión no es máxima debido al color, orientación, etc.., la ecuación se refiere a la emisión de Cuerpo gris, emisividad 0 < � < 1 ecuación modificada:

1. INTRODUCCIÓN

4T

A

Q⋅= σ

&

⋅=

42Km

skJ

σ

4T

A

Q⋅⋅= σε

&


1.1.2 OTROS CONCEPTOS TERMODINAMICOS

SISTEMA.- Masa determinada de una sustancia cuyo estudio se efectúa y que va a estar sujeta a transformaciones, el sistema está definido por el valor de las variables del mismo como: u, h, p, v, T, s, m, C, etc... Ej. Una masa de 1 Kg de refrigerante.

MEDIO EXTERIOR.- Conjunto de sustancias en el entorno del sistema y externas a él.

ESTADO DEL SISTEMA.- Situaciones en las que puede estar un sistema, el estado de un sistema está definido por los valores que tienen las propiedades del sistema, en un instante t. Ej: volumen específico, presión, temperatura, velocidad.

1. INTRODUCCIÓN



TRANSFORMACIÓN.- Paso de un estado a otro de un sistema definido por el valor de las propiedades del mismo.

ESTADO INICIAL.- Definido por los valores de las características del sistema antes de sufrir una transformación Eo= (Po,Vo,To,...)

ESTADO FINAL.- Definido por los valores de las características del sistema después de sufrir una transformación E1= (P1,V1,T1,...)

1. INTRODUCCIÓN



ESTADOS INTERMEDIOS.- Los diferentes estados por los que pasa el sistema para ir del estado inicial al estado final. El conjunto de estados intermedios constituye el recorrido del sistema. Los estados inicial y final son estados de equilibrio generalmente y los intermedios, inestables.

PROCESOS.- Los distintos caminos o estados intermedios por los que puede evolucionar un sistema para pasar de un estado a otro. En general se llaman procesos o transformaciones politrópicas, si en el proceso se mantienen constantes algunas de las propiedades del sistema variando las demás se denominan: isócoras, isobáricas, isotérmicas, isoentálpicas o isoentrópicassegún quede constante el volumen, la presión, la temperatura, la entalpía o la entropía. Las ecuaciones que relacionan las propiedades del sistema en cada caso son:

1. INTRODUCCIÓN



Las ecuaciones que relacionan las propiedades del sistema en cada caso son:

1. INTRODUCCIÓN



1. INTRODUCCIÓN



En el diagrama (p,v) se evidencian los trabajos en los procesos o ciclos y en el (T,s) se identifican los calores transferidos, en ambos casos como áreas encerradas porlas curvas de los procesos y los ejes de coordenadas.

1. INTRODUCCIÓN



Los procesos pueden ser además:

TRANSITORIOS O PERMANENTES: según que las transformaciones que se realizan dependan o no del tiempo.

UNIFORMES O NO: según si las características dependen o no de la posición de la partícula en el flujo

CICLOS.- Toda transformación de un sistema en la que el estado final coincide con el estado inicial.

1. INTRODUCCIÓN


1.1.3 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

1. INTRODUCCIÓN


1.1.4 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Para que se produzca trabajo (W) en un proceso de transferencia de calor deben existir dos focos uno caliente que cede calor (Qc) y otro frío que absorbe parte del mismo (QF), la diferencia entre ambos es el trabajo producido (W = Qc– QF ). Ambos focos estarán a distintas temperaturas.

Otra definición del segundo principio es, que para que el calor se transfiera desde un foco frío a otro caliente, se necesita aportar un trabajo exterior.

1. INTRODUCCIÓN



RENDIMIENTO ENERGÉTICO.- En general se define tanto para motores como para generadores como: (el beneficio obtenido / coste aportado) en %.

COP: Coefficient of performance

1. INTRODUCCIÓN



RENDIMIENTO EXERGÉTICO.- Se define como: El porcentaje de

disponibilidad o exergía de la energía obtenida sobre la disponibilidad o exergía

de la energía aportada.

Operando en cada caso, se obtiene una relación entre el rendimiento o COP real y el de Carnot o ideal, lo que evalúa en % el proceso real frente al ideal.

1. INTRODUCCIÓN


1.1.5 CICLO IDEAL O DE CARNOT DE POTENCIA

Transformación ideal o de máximo rendimiento, compuesto por dos procesos isotérmicos entre las temperaturas del foco caliente y del foco frío, temperatura ambiente y dos adiabáticos según los procesos:

1. INTRODUCCIÓN



Compresión isoterma (1��2):

Se aporta trabajo WC(1-2) al sistema. El sistema cede calor al ambiente QF(12) = WC(12) La temperatura TF = cte = To. La energía interna permanece cte.

La presión aumenta (p1� p2). El volumen disminuye (v1� v2).

Compresión adiabática reversible (2 ��3):

Se aporta trabajo WC(2-3) al sistema. No hay transferencia de calor

La temperatura aumenta hasta TC > TF . La energía interna aumenta.La presión aumenta (p2� p3). El volumen disminuye (v2� v3).

1. INTRODUCCIÓN



Expansión isotérmica (3��4):

El sistema absorbe calor del foco caliente QC(34) = WE(34). El sistema cede trabajo WE(34) al exterior. La temperatura TC = cte. La energía interna permanece cte.

La presión disminuye (p3� p4). El volumen aumenta (v3� v4).

Expansión adiabática reversible (4��1):

El sistema cede trabajo WE(41) al exterior. No hay transferencia de calor. La temperatura disminuye TF < TC. La energía interna aumenta.

La presión disminuye (p4� p1). El volumen aumenta (v4� v1).

1. INTRODUCCIÓN



Objetivo: El trabajo neto WN = WE(3-4) + WE(4-1) - WC(1-2) - WC(2-3)

Coste: El Calor aportado QC = QC(3-4);

Rendimiento:

1. INTRODUCCIÓN

C

F

C

N

T

T

Q

W−== 1η

1.1 CONCEPTOS DE TERMODINÁMICA1.1.6 CICLO FRIGORÍFICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR IDEAL DE CARNOT

Las máquinas frigoríficas son máquinas térmicas que realizan el ciclo de Carnot, de máximo rendimiento, en sentido inverso. En este caso, el área del ciclo en el diagrama (p,v), representa el trabajo mecánico absorbido del medio exterior y el área del ciclo en el diagrama (T,s), representa la diferencia entre el calor cedido al medio ambiente y el absorbido del foco frío. Los procesos del ciclo son:

1. INTRODUCCIÓN


1.1.6 CICLO FRIGORÍFICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR IDEAL DE CARNOT

Compresión adiabática reversible (1-2):

Se aporta trabajo WC(1-2) al refrigerante del sistema. No hay transferencia de calor.

La temperatura aumenta hasta TC > TF. La energía interna aumenta.


Compresión isoterma (2-3):

Se aporta trabajo WC(2-3) al sistema. El sistema cede calor al foco caliente, ambiente QC(2-3) = WC(2-3). La temperatura TC = cte = To. La energía interna permanece cte.


1. INTRODUCCIÓN



Expansión adiabática reversible (3��4):

El sistema cede trabajo WE(3-4) al exterior. No hay transferencia de calor.

La temperatura disminuye TF < TC. La energía interna aumenta.La presión disminuye (p3� p4). El volumen aumenta (v3� v4).

Expansión isotérmica (4��1):El sistema absorbe calor del foco frío QF(4-1) = WE(4-1). El sistema cede trabajo WE(4-1) al exterior. La temperatura TF = cte. La energía interna permanece cte.La presión disminuye (p4� p1). El volumen aumenta (v4� v1).

1. INTRODUCCIÓN



CICLO FRIGORÍFICO

Objetivo: El Calor absorbido del foco frío QF = QF(4-1)

Coste: El trabajo neto aportado � WN = WC(1-2) + WC(2-3) - WE(3-4) - WE(4-1) =

QC - QF

El Coeficiente de Operación:

1. INTRODUCCIÓN

FC

C

N

C

TT

T

W

QCOP

−=== γ


1.1.7 CICLO FRIGORIFICO REAL.

La compresión no es isoentrópica por tanto el trabajo específico consumido es mayor

A la salida del compresor el estado del refrigerante es vapor sobrecalentado a alta temperatura.

La cesión de calor al foco caliente es isotérmica solo al final, cuando el refrigerante está en zona bifásica.

1. INTRODUCCIÓN

12

12

hh

hh SC

−

−=η



La expansión no es isoentrópica sino isoentálpica con lo que se desaprovecha el trabajo específico de la expansión.

Para que las transferencias de calor en evaporador y condensador sean posibles, se necesita una diferencia de temperaturas entre los fluidos que intervienen, por ello hay que establecer una diferencia de temperatura entre los elementos (Tº real) y los focos (Tº ideal).

Todos los puntos anteriores son generadores de irreversibilidad en cada proceso, lo que se traduce en una disminución del rendimiento exergético del

ciclo.

1. INTRODUCCIÓN



1. INTRODUCCIÓN

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