Introducción a la termodinámica by José Luciano Saucedo Silva

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

M.C. e Ing. José Luciano Saucedo Silva ABRIL-2014

TERMODINÁMICA

“ Es la ciencia que estudia a la energía y sus relaciones con la materia.”

INDICE • • • • • • • • • • • • • • •

Propiedades Físicas del Agua Fases del Vapor Definiciones Proceso Isobárico Proceso Isométrico Proceso Isotérmico Proceso Isotrópico Proceso Isobárico Proceso Isométrico Proceso Isotérmico Proceso Isotrópico Diagrama T.P. Diagrama V.P. Ciclo Carnot Diagrama de Mollier, s-h

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Ciclo Regenerativo Ciclo Rankine Presión Atmosférica Presión Absoluta Presión Manométrica Presión de Vacío Temperatura Calor Unidades de Medida Calor Sensible Calor Latente Diagrama TemperaturaCalor • Tablas de Vapor • Transferencia de Calor

1- PROPIEDADES FÍSICAS - QUÍMICAS DEL AGUA El agua adopta tres fases; sólidos, líquidos o gaseosos, para tener un cambiode fase, basta cambiar su temperatura y su presión. Dentro de una misma fase un cuerpo puede tener una infinidad de estados que son propiedades caracterizadas por su presión, su temperatura, su volumen, calidad, entropía, entalpía, etc.

2 FASES DEL VAPOR Saturado, húmedo y sobrecalentado. Vapor Saturado.- Es aquél que tiene una temperatura igual a la de ebullición (correspondiente a la presión a que está el vapor) Vapor Húmedo.- Se encuentra al mismo tiempo dentro de la fase liquida y la fase de vapor, su temperatura es igual a la de ebullición. Vapor Sobrecalentado.- Tiene una temperatura superior a la temperatura de ebullición y en esta está presente solamente la fase vapor, para definir un vapor sobrecalentado hay que indicar su presión y su temperatura o bien su sobrecalentamiento que es la diferencia entre su temperatura y la temperatura de ebullición correspondiente a su presión

DEFINICIONES Procesos.- Es cuando pasa de forma continua por una serie de estados, en la mayor parte de los procesos usados en ingeniería hay alguna característica que permanece constante y que define precisamente el proceso, ya sea isobárico o depresión constante; isotérmico o de temperatura constante, etc. Fluidos.- Son la fase líquida de toda sustancia. Fusión.- Es el paso de fase sólida a líquido. Solidificación.- Es el paso de fase líquida a sólido. Vaporización.- Es el cambio de un cuerpo de fase sólida a la fase de vapor. Sublimación.- Es la vaporización directa de la fase sólida a la de vapor.

DEFINICIONES Evaporación.- Es la vaporización de un líquido que tiene lugar exclusivamente en la superficie libre del líquido y en cualquier temperatura del líquido. Ebullición.- Es la vaporización de un líquido que tiene lugar en el seno mismo del líquido, a una temperatura, cuyo valor depende de la presión a que esté el líquido; mientras mayor sea ésta, mayor será el punto de ebullición. Máquinas Térmicas.- Es todo artificio que, funcionando de modo periódico, trasforma calor en trabajo. Calor.- Es lo que pasa de un cuerpo caliente a otro frío cuando ambos se hallan en contacto, el calor es también una forma de energía.

DEFINICIONES Calor especifico.- Es la capacidad calorífica referida a la unidad de masa.

Presión.- Es la fuerza ejercida por el fluido en la unidad de superficie de la pared del recipiente que lo contiene o del seno mismo del fluido, se mide por medio de manómetros y sus unidades se expresan en kg/cm2 ó en lbs/in2 Presión absoluta.- Se obtiene sumando la lectura del manómetro y la presión atmosférica.

Presión relativa.- Es la presión que se encuentra arriba de la presión atmosférica y se mide con los manómetros.

DEFINICIONES Temperatura.- Es el efecto sensible del movimiento vibratorio de las moléculas de un fluido, se mide por medio de un termómetro, que puede ser de mercurio o de gas. Volumen específico.- En un fluido es el volumen de la unidad de peso, sus unidades se expresan en m3/kg ó ft3/lb. Peso especifico.- En un fluido es el peso de la unidad de volumen, sus unidades son kg/m3 ó lb/ft3. Energía interna.- En los líquidos y en los gases perfectos depende exclusivamente de la temperatura, en los vapores depende del estado del vapores decir, de la temperatura y la presión para los vapores sobrecalentados y de la temperatura y calidad para vapores húmedos.

DEFINICIONES Entalpía.- Es la cantidad de energía que contiene un vapor, la cual puede liberarse en forma de trabajo; entre mayor entalpía tenga un vapor, mayor será la cantidad de trabajo que este vapor pueda desarrollar. (Es la suma de la energía interna especifica y la energía de flujo especifico. , se designa con la letra H, sus unidades son en Cal/kg. ó Btu/l)

PROCESOS: Se presenta en un fluido, cuando pasa por una serie de estados, de una manera continua, los procesos que más importan a la ingeniería, son aquellos en los cuales algunas de las características o propiedades del vapor, permanecen constantes, por ejemplo: la presión, el volumen, la entropía, la entalpía, la temperatura. Proceso isobárico Es el proceso en el cual la presión permanece constante, tiene lugar este proceso en una Planta de vapor: en la caldera, el sobrecalentador, el economizador, el condensador, etc.

Proceso Isom茅trico En este proceso el volumen permanece constante, en las plantas de vapor este proceso tiene lugar al aumentar la presi贸n de una caldera.

Proceso Isotrópico (adiabático) En este proceso la entropía permanece constante; es el caso de los procesos adiabáticos reversibles y tiene lugar en la expansión ideal del vapor en una máquina de émbolo o en una turbina de vapor.

CICLOS TERMODINAMICOS Diagrama T-p. El plano que aparece dividido en tres regiones representa el diagrama T-p para los cuerpos puros, que corresponde a los tres estados de agregación, dentro de cada región, el sistema es monofásico, pero se hace bifásico en todos los puntos de la curva de separación, pues en ellos coexisten en equilibrio los dos estados de agregación cuyas regiones están separadas por la curva en cuestión.

Para temperaturas suficientemente bajas y presiones no muy pequeñas, el sistema se encuentra en estado sólido, en el punto A, por ejemplo. Al calentar a presión constante, recorre el punto figurativo una recta horizontal. La fusión sobrevendrá en B, y la vaporización en C. Los puntos situados a la derecha de C corresponden al vapor sobrecalentado.

Diagrama T-p. El diagrama muestra que, a una presión determinada, los cambios de estado se producen a temperatura también determinadas. Cada cuerpo funde o hierve a temperaturas determinadas por la presión que él se ejerce. La temperatura de fusión cambia poco al variar la presión, porque la curva sólido - líquido es, muy aproximadamente una recta vertical. En cambio, la curva líquido - vapor es siempre ascendente hacia la derecha, de donde resulta que el punto de ebullición sube al aumentar la presión. Las tres curvas de equilibrio se cortan en un punto denominado punto triple. En virtud de la marcha de las curvas de equilibrio, ocurre que el estado líquido es imposible para presiones inferiores a la del punto triple.

Diagrama T-p Cuando se calienta un sólido sometido a una presión inferior a la de su punto triple, pasa directamente vapor, y el fenómeno se denomina sublimación. Partiendo del estado sólido y operando a presión constante por encima del punto triple, siempre sobreviene la fusión. En cambio, si la presión pasa de cierto límite, es imposible conseguir la vaporización por mucho que se eleve la temperatura.

Diagrama T-p Ello se traduce en el diagrama en que la curva líquido - vapor presenta un punto de detención, llamado punto crítico, donde resulta que en realidad, las regiones del líquido y del vapor no están separadas, pues siempre puede pasar de una a otra bordeando el punto critico, como entonces no se obtiene nunca un sistema bifásico, el líquido y el vapor forman un solo estado de agregación.

No hay ningún criterio que permita decidir si un fluido, que llena enteramente la vasija, es líquido o vapor. La distinción sólo es posible cuando hay dos fases fluidas en presencia, esto es, en los puntos de la curva líquido vapor, y entonces, según hemos dicho anteriormente, la diferente densidad sirve para distinguir ambas fases.

Diagrama T-p Como el diagrama T-p a la vista, puede predecirse lo que ocurrirá en el sistema cuando, a partir de cierto estado, se modifica la presión o la temperatura. Los cambios de estado se producen siempre al llegar la curva de equilibrio, y entonces, si se mantiene constante la presión, permanece invariable la temperatura mientras subsisten ambas fases. Por ejemplo, para liquidar un vapor, basta aumentar la presión hasta alcanzar la curva de equilibrio. De la existencia del punto crítico resulta que: es imposible liquidar un vapor cuando su temperatura es superior a la temperatura crítica, o vaporizar un líquido si su presión excede de la presión crítica.

Diagrama T-p Partiendo del vapor sobrecalentado (punto D), y aumentando la presión a temperatura constante, el punto figurativo asciende por una recta vertical, y se producirá la liquidación al llegar al punto C, en cuyo momento se tendrá vapor saturado, y la presión habrá alcanzado el valor máximo de los compatibles con la existencia del vapor a dicha temperatura. Por esta razón, la curva de equilibrio entre el líquido y el vapor de las presiones máximas, o presiones de saturación en función de la temperatura. Cuando se halla en equilibrio dos fases de un cuerpo puro, la presión es función de la temperatura.

Diagrama V-p. El Diagrama T-p, nada dice respecto al volumen del sistema, y precisamente esta magnitud interesa de modo especial porque es la que varía discontinuamente en los cambios de estado.

Por esta razón, conviene recurrir al diagrama V-p. partiendo siempre del vapor supercalentado (punto D) y comprímase manteniendo constante la temperatura. Aumentará la presión y disminuirá el volumen mientras el sistema sea monofásico, pero al llegar al punto C aparece la fase líquida y, por lo dicho en el apartado anterior, se habrá alcanzado la presión de saturación, que permanecerá constante mientras no se modifique la temperatura.

Diagrama V-p. En el punto C,todo el sistema se halla en estado de vapor saturado y, si operamos en las unidades de masa, las abscisas de dicho punto será el volumen específico del vapor saturado. Al disminuir más el volumen, manteniendo siempre constante la temperatura, comienza la condensación, y la isoterma describe un tramo horizontal. La proporción de vapor va disminuyendo, pero como no cambia ni la presión ni la temperatura, sus propiedades físicas siguen siendo las correspondientes al punto C.

Diagrama V-p. Cuando todo el vapor se haya convertido en líquido, el sistema vuelve a ser monofásico, y para que siga disminuyendo el volumen, hay que aumentar la presión. Resulta así el isoterma E F, que es muy pendiente porque el líquido es poco compresible.

En el punto E ha desaparecido la última burbuja de vapor, y el volumen correspondiente será el volumen especifico del líquido en equilibrio con su vapor como se ve, en el paso vapor - líquido experimenta el volumen específico una disminución brusca, que está dada por el segmento E C.

Diagrama V-p. A medida que sube la temperatura, se acorta el tramo horizontal de la isoterma, lo cual significa que se hace menor la diferencia entre ambos volúmenes específicos. Dicho tramo se reduce a un punto en la isoterma crítica, que presenta un punto de inflexión con tangente horizontal en el punto crítico, K. Uniendo

Diagrama V-p. Uniendo los extremos de los tramos rectilíneos de las isotermas, resulta la curva límite de saturación M E K C N. La rama K C N, situada a la derecha del punto crítico, corresponde al vapor saturado, y la otra corresponde al líquido en equilibrio con su vapor. La región situada entre la curva límite y la isoterma correspondiente al punto triple representa estado de equilibrio entre el líquido y el vapor, con proporciones variables. Cuando el líquido forma gotitas suspendidas en el vapor, se dice que hay vapor húmedo y se define su calidad, x, por la cantidad de vapor seco y saturado existente en la unidad de masa total. En los puntos de la rama K C N es x = 1, y en la K E M es x =0. En un punto intermedio, tal como H, la calidad se obtendrá expresando que el volumen total.

Diagrama V-p. Para que quede enteramente determinado el estado de un cuerpo puro, se requiere siempre el conocimiento de dos magnitudes. El sistema tiene, pues, dos variables independientes. Cuando el sistema es monofásico, las variables pueden ser dos magnitudes de estado cualesquiera, pero si hay dos fases de presencia, la presión y la temperatura no son independientes entre sí, y basta conocer una de ellas para que quede determinada la otra, así como los volúmenes específicos y demás magnitudes específicas de una y otra fase.

Diagrama V-p. En este caso, para que quede determinada la proporción entre ambas fases, hay que conocer una nueva variable, que puede ser el volumen total o la energía interna total, por ejemplo. En el punto triple, la presión, la temperatura y las magnitudes específicas de las tres fases tienen valores determinados, pero la distribución de la masa total entre las tres fases no queda determinada si no se conocen dos magnitudes, que pueden ser el volumen total y la energía interna total.

Ciclo Carnot El ciclo se analizara en el Diagrama V – p, en cuanto se dispone de dos niveles térmicos, hay posibilidades de transformar el calor en trabajo sin más que utilizar un sistema cualquiera, y efectuar con él las sig. Operaciones en la figura. a).- colocado en un baño de temperatura constante,T1, se expande desde el volumen V1 al volumen V2. b).- se expande adiabáticamente desde el volumen V2 al V3. c).- colocado en contacto térmico con un baño cuya temperatura, T2, sea constantemente igual a la que tenía el sistema al final de la operación anterior se comprime desde el volumen V3 hasta el volumen V4.

Ciclo Carnot d).- se comprime adiabáticamente hasta el volumen primitivo. Para que esto sea posible, habrá que elegir convenientemente el V4.

Si la transformación se efectúa por vía reversible, el punto figurativo recorrerá el cuadrilátero formado por dos isotermas y por dos adiabáticas, pero si las formaciones son irreversibles, las curvas que representan la presión exterior en función del volumen no será ya las isotermas y las adiabáticas anteriores, sino otras curvas situadas dentro del referido cuadrilátero. En uno y otro caso, el sistema sólo puede tomar calor de manantial caliente y cederlo al frío.

Ciclo Carnot Si se opera por vía reversible y se invierte el sentido, los trabajos obtenidos en las distintas partes del ciclo serán los mismos que antes, pero cambiados de signo, y como lo mismo sucede con la energía interna, el primer principio exige que también las cantidades de calor sean las mismas que antes, pero de signo contrario. Si Q12 y Q34 son los calores tomados de ambos manantiales (el segundo negativo), el primer principio exige que sea

Ciclo Carnot

Ciclo Carnot Corolarios (deducción) del segundo principio. Empecemos por demostrar que en todo el ciclo de Carnot, tanto si es reversible como sino lo es, ha de ocurrir que, cuando L > 0, esto es, cuando la máquina produce trabajo, ha de ser Q1 > 0 y Q2 > 0, de modo que el sistema habrá de tomar calor del baño que está a temperatura alta y ceder calor al que está a temperatura baja. Pues si fuera Q1 = 0, ó Q2 = 0, habríamos obtenido trabajos sin más que utilizar uno de los baños, lo cual es imposible por oponerse a ello el segundo principio. Si fuera Q2 < 0, querría decir que el baño caliente había recibido el calor, y podríamos verlo a su primitivo estado sin más que ponerlo en contacto térmico con el baño frío, con lo cual habríamos obtenido trabajo sin hacer otra cosa que modificar el estado de este último. Finalmente, si fuera Q2 < 0, el baño frío habría perdido calor, y bastaría también el contacto térmico entre ambos baños para que el frío recupere su estado primitivos, lo cual está también en contradicción con el segundo principio.

Ciclo Carnot 1.- es imposible que una máquina térmica, que funciona por ciclos irreversibles entre dos niveles térmicos, tenga un rendimiento superior al de un ciclo reversible entre los mismos.

La demostración se logra por reducción al absurdo. Pues si h´ es el rendimiento de la maquina irreversible y h el rendimiento de la reversible, y fuera h´ > h, habría de ser, a igualdad de calor Q1 tomado del baño caliente. L´ > L Si hacemos funcionar la máquina irreversible hasta obtener el trabajo L´, y luego proponemos la marcha reversible, en sentido contrario, hasta que ceda al baño caliente la misma cantidad de calor, Q1, que de él había tomado la irreversible (1). 2.-

Ciclo Carnot

Con esto habrá obtenido un trabajo neto L´ — L > 0, sin que se haya modificado más que el baño frío, lo cual está en contradicción con el segundo principio.

2.- Todos los ciclos reversibles realizados entre dos temperaturas dadas han de tener igual rendimiento., la demostración es análoga.

4 DIAGRAMA DE MOLLIER, S-H. En este diagrama, que es de gran utilidad práctica, se toman las entropíacomo abscisas, y las entalpías como ordenadas. Una de sus propiedades más interesantes es que la pendiente de las isobáricas es igual a la temperaturaabsoluta en el punto correspondiente, pues de dh = Tds + vdp se deduce: De donde resulta que dentro del área de saturación, las isobaras serán rectas con una pendiente igual a la temperatura respectiva. Los diagramas suelen llevar la curva de saturación, las isotermas, las isobaras, las curvas de calidad constante,etc., en la figura se muestra el aspecto de tales diagramas.

DIAGRAMA DE MOLLIER, S-H. La curva E K M es la curva límite. Las líneas de trazo y punto son isotermas, y las de línea llena son isobaras, unas y otras se confunden en el área de saturación.

En el caso de los gases perfectos, es fácil hallar la ecuación de las isobaras y de las isócoras en el diagrama de Mollier, pues basta eliminar la temperatura entre la ecuación.

5 CICLO REGENERATIVO. El rendimiento del ciclo Rankine es inferior al de un ciclo de Carnot entre las mismas temperaturas extremas porque el agua penetra en la caldera con una temperatura muy inferior a la de vaporizaci贸n, lo cual hace que el proceso sea irreversible. Se remedia este inconveniente en las turbinas m煤ltiples con el artificio representado en la fig.

CICLO REGENERATIVO. El agua del condensador no pasa directamente de la bomba a la caldera, sino que atraviesa previamente un calentador en el que recibe calor, a presión constante, gracias a las condensación del vapor procedente de uno de los escalones intermedios de la turbina.

El agua procedente de dicha condensación es enviada a la caldera por medio de la bomba 2. La cuestión consiste en averiguar dónde ha de bifurcarse la corriente fluida para conseguir el máximo rendimiento. El cálculo se efectúa por tanteos, según se indica a continuación, en la siguiente figura

CICLO REGENERATIVO. se muestra el diagrama s-T, los procesos que tienen lugar en esta máquina térmica. El vapor entra en la turbina en el estado a y sale en el estado b, tras de haber sufrido una expansión que sería isentrópica si no hubiera razonamiento, pero que, en realidad, va acompañada de un aumento de entropía.

CICLO REGENERATIVO. En el diagrama se representan los puntos figurativos del estado del vapor a la entrada y salida de cada escalón, y se unen con un trazo continuo, con lo que resulta la curva de condición ab’b. Se supone que la corriente se bifurca en un punto b’, situado entre dos escalones de la turbina. Una parte sigue por la turbina, pasa al condensador, luego a la bomba 1, penetra en el calentador en el estado d y sale en el estado e. La otra parte entra en el calentador en el estado b’, sale en el c’ y es comprimida por la bomba 2 hasta e’,donde se une con el líquido que viene del condensador.

CICLO REGENERATIVO. Se admite que a la salida del calentador las dos corrientes fluidas tiene igual temperatura, de modo que los puntos e y c’queden a igual altura en el diagrama. La posición de todos los puntos queda determinada sin ambigüedad, pues a es un dato, b’ se elige arbitrariamente en la curva de condición, las líneas dee’ga y b’c’ son isobaras, las cd y c’e’ son isentrópicas, y el punto e, como hemos dicho, está a igual altura que el c’.

CICLO REGENERATIVO. Calculemos la masa y del vapor que ha de pasar desde b’ al calentador por cada kilogramo que penetra en la turbina. En el calentador hay un canje de calor entre ambas corrientes sin producción de trabajo exterior. Si son despreciables los cambios de velocidad, el calor cedido por el fluido que viene de b’ será:

Q = y( hb’ – hc’), Y el absorbido por el líquido procedente del condensador valdrá: Q = (1 – y) (he – hd),

CICLO REGENERATIVO. Así que habrá de cumplirse la condición y(hb’ – hc’) = (1 – y) (he – hd),

Donde resulta la expresión he – hd y = _____________________ hb’ – hc’ + he – hd que puede calcularse con las tablas del vapor, una vez calculado y, se deduce fácilmente el rendimiento del ciclo, tras algunos tanteos, se puede averiguar cuál ha de ser el estado b’ para que el rendimiento sea máximo. Con varios calentadores recorridos sucesivamente por el líquido procedente del condensador,mejora más aún el rendimiento. En las grandes centrales térmicas se utilizan hasta seis calentadores. En los barcos raramente se pasa de dos.

4 Ciclo Rankine. Representado en el diagrama v – p las evoluciones de 1 kg. de agua al circular por una máquina térmica. El vapor sale de la caldera seco y saturado y pasa por el sobrecalentador, donde adquiere una temperatura superior a la existente en la caldera, al entrar en la máquina posee una presión p1, ligeramente inferior a la de la caldera, punto 1 de la figura. En la maquina se produce una expansión y la presión desciende hasta ser un poco mayor que la p0 del condensador, punto 2,con el consiguiente descenso de temperatura.

4 Ciclo Rankine.

El fluido pasa luego al condensador, donde termina la liquidaci贸n, punto 3,empezada ya en la m谩quina, y la bomba se encarga luego de volverlo a la caldera, para lo cual le comunica la presi贸n conveniente, con un ligero aumento de temperatura, punto 4. El liquido se calienta en la caldera a presi贸n constante,hierve, es supercalentado y queda cerrado el ciclo.

4 Ciclo Rankine. Si los procesos 4 – 1 y 2 – 4 fueran isotérmicos y reversibles, y los 1 – 2 y 3 – 4 fueran adiabáticos y también reversibles, resultaría un ciclo de Carnot, y el rendimiento tendría el valor máximo correspondiente a las temperaturas T1 y T0. Pero, aun prescindiendo de la irreversibilidad motivada por los razonamientos y por el canje térmico con el medio ambiente, el ciclo de la máquina real no puede coincidir con el Carnot porque el tramo 4 –1 sólo es isotérmico entre los puntos 4’y 1’.

4 Ciclo Rankine. Por esta circunstancia, el ciclo de Carnot discrepa demasiado del ciclo real para que sea conveniente utilizar como término de comparación y, en su lugar, se toma el ciclo de Rankine, que está constituido por dos isobaras, 4 – 1 y 2 – 3, y dos isentrópicas, 1 – 2 y 3 – 4. Es el representado por trazo continuo en las figuras a). y b).

4 Ciclo Rankine. El rendimiento del ciclo ideal de Rankine es inferior al de un ciclo de Carnot entre las mismas temperaturas extremas, porque el tramo 4 – 4’, que representa el calentamiento del agua en la caldera, es necesariamente irreversible. El trabajo total será la diferencia entre el L1 = L12 obtenido en la máquina de vapor, y el L2 = - L34 consumido al mover la bomba. El calor que el fluido absorbe del hogar está dado, en el diagrama s – T, por el área limitada por la curva 4 – 4’ – 1’ – 1 y sus ordenadas extremas. El área limitada por 3 – 2 es, en el mismo diagrama, el calor que se pierde en el condensador.

4 Ciclo Rankine. Las líneas de puntos representan el ciclo real, que sólo coincide con el ideal en los puntos 1 y 3. Por efecto de la irreversibilidad, en los tramos 1’ – 1 y 2 – 3 no son isóbaros, ni los 1 – 2 y 3 – 4 isentrópicos; en los primeros hay una caída de presión, y en los segundos, aumento de entropía. Las máquinas de vapor se clasifican en dos grandes grupos: las de movimiento alternativo, o máquinas alternativas, y las de movimiento continuo o turbinas.

PRESIÓN Es una propiedad de la materia que se expresa como la acción entre dos cuerpos, teniendo en cuenta el área de contacto. P= F/A F A

PRESIÓN ATMOSFÉRICA FUERZA ATMOSFÉRICA



ATMOSFERA

NINEL DEL MAR (N.M)

PRESIÓN Presión atmosférica Es la presion ejercida por la atmosfera terrestre. Fue descubierta por Torricelli quien descubrió que esta varía con respecto a la altitud, siendo esta a nivel del mar de 760mmHg

Presión manométrica Es la presion ejercida por algún cuerpo o una columna de determinado fluido sobre la superfie que lo soporta.

Presión absoluta Resulta de sumar la presión manométrica y la presión atmosférica,

PRESIÓN

Presión absoluta

x bar a.

Presión manométrica Pinterna - Pexterna

1 bar a.

Presión atmosférica

0 bar a.

Vacío perfecto

Presión absoluta = Presión manométrica + presión atmosférica

TEMPERATURA Es una propiedad de la materia que indica la cantidad de energía térmica promedio acumulada en un cuerpo. Es una medida del movimiento que tienen las moléculas de cualquier sustancia.

CALOR Es el flujo o transferencia de energía térmica debido a una diferencia de temperaturas (potencial térmico) de un cuerpo con mayor promedio energético a uno con menor promedio. CALOR

FUENTE DE CALORTEMPERATURA ALTA

SISTEMA DESTINOMENOR TEMPERATURA

UNIDADES DE MEDIDA 



kcal – kilocaloría

BTU

Cantidad de energía necesaria para elevar un 1 °C un kilogramo de agua a presión nivel del mar Cantidad de calor necesaria para elevar un 1°F una libra de agua a nivel del mar

CALOR SENSIBLE ( energía del líquido – hf ) 100ºC 0ºC

El agua absorbe calor observándose un cambio en la temperatura.

CALOR LATENTE ( energía de evaporación – hfg )

Vapor saturado

100ºC

Líquido saturado

La temperatura se mantiene igual. El calor es utilizado en el cambio de estado físico.

Diagrama Temperatura-Calor para 1 kg de agua a presión atmosférica Calor Calor Calor Sensible latente Sensible de fusión

Calor latente de vaporización

Calor Sensible

149 °C 100 °C. 93 °C 38 °C 0 °C 8.9

100 540 kcal por kilogramo de agua

23.3

TABLAS DE VAPOR kg/cmÂ˛

0.7

5.62

7.3

T sat (0 C)

115

162

170

Volumen esp (m3/kg) Calor sensible (kcal/kg) Calor latente (kcal/kg) Calor total (kcal/kg)

1.0254

0.3

0.242

115.4

163.4

171.4

528.73

495.1

488.9

644.14

658.5

660.24

TRANSFERENCIA DE CALOR



Conducción  Convección  Radiación

Transferencia de calor convecci贸n

gases calientes

conducci贸n convecci贸n

Tubos de fuego

Transferencia de calor



Regla general: Un incremento de 22 °C en la temperatura de la chimenea (a un determinado régimen de carga) resulta en una disminución de 1% en la eficiencia del equipo.

Transferencia de calor convecci贸n

gases calientes

conducci贸n convecci贸n

Tubos de fuego

Transferencia de calor Espesor de la Incremento incrustaci贸n en el consumo (cm) de combustible

0.15

15%

0.317

0.635

20% 39%

0.9525

55%

1.27

70%

Basado en incrustaci贸n de calcio y magnesio

Transferencia de calor

gases calientes

Tubos de fuego

Transferencia de calor convecci贸n

gases calientes

conducci贸n convecci贸n

Tubos de fuego

Transferencia de calor conducci贸n

convecci贸n conducci贸n

gases calientes

Tubos de agua

PODER CALORĂ?FICO Es la cantidad de calor liberada por unidad de peso o volumen de un combustible al ser quemado en su totalidad.

EJEMPLO 

Una caldera de 100 CC  0.7 kg/cm2 operando a:  100 °C Temp. de agua de alimentación  Cuando las condiciones de operación cambian se emplea el: – Factor de evaporación Por ejemplo, una caída de la temperatura del agua a 37 °C no es bueno para la caldera

EJEMPLO 

Si el agua de  Choque térmico en el alimentación tiene 37 °C: metal de la caldera  Más contenido de oxígeno en el agua de alimentación

contenido de oxígeno ,ppm

SOLUBILIDAD DEL OXÍGENO

10 8 6 4 2 0 30

110 130 150 170 190 210

Temperatura, °C

Termodinámica 

Caldera de 100 CC operando a 0.7 kg/cm2 y 100 °C del agua de alimentación



Agua de alimentación cae a 37 °C  Problemas en el sistema de retorno de condensados  ¿Qué ocurre?

Vent

Minimum water Pressure 10-12 Psi

System Layout

H.P. Return Steam Exhaust Or Flash Steam

Cold Make-Up Water

Make-Up Valve

Check Valve

To Boiler Boiler Feed Water Pump

L.P. Condensate

Overflow Drainer

Sistema Original â&#x20AC;&#x201C; 70% de retorno de condensados 30% de agua de repuesto

Cambios en el sistema â&#x20AC;&#x201C; 30% de retorno de condensados 70% de agua de repuesto