t1 it, Apuntes de Ingeniería Ambiental

¡Descarga t1 it y más Apuntes en PDF de Ingeniería Ambiental solo en Docsity!

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

Introducción a la Termotecnia

TEMA 1. Introducción a la

Termotecnia

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

PRIMER PRINCIPIO

SEGUNDO PRINCIPIO

COMBUSTIÓN

Índice

INGENIERÍA TÉRMICA3º Ingeniero Ambiental

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

Nº 4 de 18

1. Primer Principio

SISTEMA ABIERTO (m)

, estacionario

E

S^

m

m

Σ

Σ

Balance de Materia

 

^ 

Σ − 

^ 

Σ

−^

E

(^2) E

E E

S

(^2) S

S S

SALE, NETO

ENTRA, NETO

z·g

V^2

h m

z·g

V^2

h m

W

Q

Balance de Energía

T

Trefi

o i

Ti^

h

hf

h^

→

Sistemas con reacción química

E

S^

H

H

W

Q

Predominio de términos térmicos

Th i

entalpía del componente i a la temperatura T

oi hf^

entalpía de formación del componente i en el estado de referencia(elementos estables a 25ºC y 1 atmósfera), y T Trefh i

→ ∆^

variación de entalpía del componente i para pasarde la temperatura de referencia a la temperatura T

SISTEMA CERRADO (V)

, estático

Q – W =

∆

U^

Sistemas con reacción química

R

P^

TR

TP^

U

U U^

Σ−

Σ= ∆

T Trefi

oi

Ti^

U

Uf U^

→

∆+

=

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

2. Segundo Principio

Aunque un proceso cumpla el Principio de Conservación de la Energía, éstesólo ocurrirá en una determinada dirección.

Enunciado de

Kelvin-Planck

:^

es imposible para cualquier dispositivo

que

funcione

intercambiando

calor

con

un

solo

foco

y^

producir

una

cantidad neta de trabajo.

Es imposible que una máquina térmicatenga una eficacia de 100 %. Siemprenecesita eliminar una cierta parte decalor.

CALDERA

TURBINA

BOMBA

QENT

W

ENT

W

SAL

COND.

QSAL

SALE ENTRA

ENTRA

SALE,

NETO

t^

Q Q

Q

W

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

2. Segundo Principio

La energía se puede medir en términos de

cantidad

y de

calidad

Primer principio de la Termodinámica

No se puede extraer

trabajo útil

Medida del desorden molecular

Segundo principiode la Termodinámica

ENTROPÍA (S)

T GAS

Energía cinética = f (T)Moléculas desorganizadas

EJE

Moléculas completamente

organizadas

Obtención de trabajo útil

Una interacción energética que

es acompañada por una transferencia de entropía es una

transferencia de CALOR

Una interacción energéticaque no es acompañada por

una transferencia deentropía es TRABAJO

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

2. Segundo Principio

EXERGÍA (Z. RANT, 1953):

máximo trabajo teórico que se puede obtener hasta

alcanzar el estado de equilibrio cuando interaccionan un sistema cerrado y el ambiente.^ Concepto relacionado con la entropía

medida del desorden de un sistema (Segundo Principio de la

Termodinámica). En general, cualquier transformación espontánea en un sistema reduce la calidad de su energía. O lo quees lo mismo, en cualquier proceso irreversible se produce la destrucción de exergía.

ENERGÍA = EXERGÍA + ANERGÍA

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

2. Segundo Principio

CARACTERÍSTICAS DE LA EXERGÍA •^

Un sistema en completo equilibrio con el medio ambiente que le rodea no poseeexergía. No existiría fuerza impulsora (dif. de T, P, conc., z, ...) para cualquier tipo deproceso.

-^

Cuanto más se diferencien las propiedades de un sistema de su ambiente, más exergíacontendrá. La exergía no sólo depende del estado de un sistema, también lo hace delestado del medioambiente. (Ej. exergía de agua caliente/cubito de hielo eninvierno/verano).

-^

Siempre que la energía pierde calidad, se destruye exergía (que es lo que realmentetiene valor de la energía). Esto también es válido para cualquier recurso natural (Ej. salcristalina y sal disuelta en agua de mar).

-^

La eficiencia energética es una medida de la idealidad (reversibilidad) de unatransformación.

PUNTO CLAVE

definición del ambiente de referencia o muerto

Puede definirse una referencia a nivel global o localEn ocasiones debe tenerse en cuenta que el estado de referencia cambiacon tiempo.

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

2. Segundo Principio

EXERGÍA vs ENERGÍA

•Independiente del estado del ambiente.Dependiente de materia o flujos energéticos. •Valores distintos de 0 aún estando en equilibriocon el ambiente. •Se conserva en todos los procesos. •No se puede crear ni destruir. •Presenta distintas formas y se miden como tal. •Medida de la cantidad.

•Depende del estado del sistema y el ambiente. •Valores igual a 0 si está en equilibrio con elambiente. •Se conserva en los procesos reversibles y no seconserva en los reales (se destruye debido alas irreversibilidades). •No se crea ni se destruye en procesosreversibles. Se destruye en procesosirreversibles. •Presenta distintas formas y se mide en base asu capacidad para generar trabajo. •Medida de cantidad y calidad.

ENERGÍA

EXERGÍA

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

Nº 13 de 18

3. Combustión

HERRAMIENTA

FUNDAMENTO

FINALIDAD

B. M.

Ppio. Conservación materia

Cálculo estequiométrico

B. E.

1º ppio. termodinámica

Cálculo temperatura

Rendimiento térmico combustión

2º ppio. termodinámica

Cálculo E aprovechable

C + O

→ 2

CO

2

H^2

+(1/2) O

→ 2

H

O 2

S + O

→ 2

SO

2

TC X, XC

, XH

S

XO

, X

, XN

W

XA

XA

, T

G

l = l

(1+t

λ )

TA

23,2% O

2

76,8% N

2

m

,Tg

G

CO

2 H^2

O SO

2 N^2 O

2

COMBUSTIBLE:

mezcla de hidrocarburos, o mezcla de éstos con sustancias no

combustibles.

COMPOSICIÓN

FRACCIÓN MÁSICA

POR ELEMENTOS

xC

• x

H^

• x

S^

• x

O^

• x

N^

• x

W^

• x

a^

E

COMBUSTIBL

i

i^

M

M

x^

CONTENIDO ENERGÉTICO DE LOS COMBUSTIBLES

B.C. => 1 kg de combustible sólido o líquido; 1 Nm3 de gas (101,3 kPa; 273,16 K)

C^

Carbono O^

^

Oxígeno (posibles compuestos oxigenados) H^

Hidrógeno N^

Nitrógeno (posibles compuestos nitrogenados) S^

Azufre (posibles compuestos de azufre) W^

agua a^

ceniza (

ash

)

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

3. Combustión.

CONSUMO DE COMBURENTE

•^

CONSUMO DE O

2

TEÓRICO

:^

kg de O

2

necesario para quemar totalmente 1 kg de

combustible. • CONSUMO DE AIRE TEÓRICO (l

):t

kg de aire necesario para quemar totalmente 1

kg de combustible. •^

CONSUMO DE AIRE REAL (l):

kg de aire realmente alimentados al horno.

λ^

Coeficiente de exceso

(^

)^

(^

)^

(^

)^

O

s

H

c

t^

x

x

x

x

kg o^

=^

(^

)^

(^

)(

)^

(^

)^

O

s

H

c

t^

x

x

x

x

kg o^

=^

t

t

O

l^

=^

lt l

INGENIERÍA TÉRMICA3º Ingeniero Ambiental

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

3. Combustión

MASA Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN

• MASA ESPECÍFICA DE HUMOS:

kg de gases de combustión obtenidos en la combustión completa de

1 kg de combustible con aire.

B.M.T.: m

xg

= 1 + la

m

= 1+l-xg

= 1 + la

(1+t

) - x λ

a

-^

COMPOSICIÓN

:^ Suponiendo combustión completa.

(^

)^

(^

)

(^

)

[^

] a

t

o

O

N a

N

a H a H O H a S

a S

SO

C a

a

C

CO

x l

l l

x

x

x l

x l

x

x x l

x

x l

x

x x l

x x l

x

x l

x

x l x

masamasa

x

O

N

O

H

SO

gas de

CO

de

CO

(^2222) 2

(^2222)

2

2

INGENIERÍA TÉRMICA3º Ingeniero Ambiental

TEMA 1. Introducción a la Termotecnia

Curso 2015-

3. Combustión

COMPOSICIÓN Y PODER CALORÍFICO (298 K) DE COMBUSTIBLES