eficiencias isentropicas
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SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA
EFICIENCIAS ADIABATICAS O
ISENTROPICAS
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Eficiencias isoentrpicas
Se ha mencionado en varias ocasiones que lasirreversibilidades son inherentes a todos los
procesos reales y que su efecto siempre es
degradar el rendimiento de los dispositivos.
En anlisis de ingeniera, sera muy deseable
tener algunos parmetros que permitieran
expresar cuantitativamente el grado de
degradacin de energa en estos dispositivos.
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Eficiencias isoentrpicas
Ahora se extender el anlisis a dispositivos de
ingeniera discretos que trabajan bajo condiciones de
flujo permanente: turbinas, compresores, bombas y
toberas, y se examinar el grado de degradacin deenerga en estos dispositivos como consecuencia de
las irreversibilidades. Pero antes es necesario definir
un proceso ideal que servir como un modelo para
los procesos reales.
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Eficiencias isoentrpicas
Aunque un poco de transferencia de calor entre
estos dispositivos y el medio de los alrededores es
inevitable, la mayor parte de los dispositivos de flujo
permanente se proponen para operar bajocondiciones adiabticas. Por tanto, el proceso
modelo debe ser uno adiabtico. Adems, un
proceso ideal no debe incluir irreversibilidades
puesto que el efecto de stas siempre es degradar elrendimiento de los dispositivos.
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Eficiencia Isoentrpica De modo que el proceso ideal que sirve como
un modelo adecuado para la mayor parte delos dispositivos de flujo permanente es elproceso isentrpico
Cuanto ms cerca se aproxima el proceso realal proceso isentrpico idealizado, tanto mejorse desempear el dispositivo. Por ello seradeseable tener un parmetro que exprese
cuantitativamente que tan eficiente es elacercamiento de un dispositivo real a unoidealizado. Este parmetro es la EficienciaIsentrpica o Adiabtica Rev.
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Es la medida de la desviacin que tiene el
proceso real de los idealizados.
La Eficiencia Adiabtica se define de manera
diferente para distintos dispositivos, porque
cada uno de ellos tienen funciones diferentes.
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EFICIENCIA DE TURBINAS
En una turbina bajo operacin permanente, elestado de entrada del fluido de trabajo y la presinde escape son fijos. En consecuencia, el procesoideal para una turbina adiabtica es uno isentrpicoentre el estado de entrada y la presin de escape. La
salida deseada de una turbina es el trabajoproducido, y la eficiencia adiabtica de una turbinase define como:
la razn entre la salida de trabajo real de la turbina yla salida de trabajo que habra alcanzado si elproceso entre el estado de entrada y la presin desalida fuera isentrpico:
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Turbinas
=Trabajo real de la turbina = Wa
trabajo isentrpico de la turbina Ws
Casi siempre los cambios en las energas cintica ypotencial asociados con una corriente de fluido quefluye por una turbina son pequeos en comparacincon el cambio en la entalpa y pueden omitirse.Entonces, la salida de trabajo de una turbinadiabtica viene a ser el simple cambio en la
entalpa, = h1h 2a / h1h2s
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Turbinas
El valor del rendimiento depende en gran medida del diseode los componentes individuales que integran la turbina. Lasgrandes y bien diseadas turbinas tienen eficienciasadiabticas superiores a 90 por ciento. Sin embargo, en
turbinas peques, disminuyen incluso por abajo de 70 porciento. El valor de la eficiencia adiabtica de una turbina sedetermina con la medicin de su salida de trabajo real y elclculo de la salida de trabajo isentrpica para las condicionesde entrada y la presin de salida medidas. Este valor se
emplea de manera conveniente en el diseo de centraleselctricas.
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EFICIENCIAS DE COMPRESORES
Eficiencia adiabtica de compresores
Es definida como la razn entre el trabajo de entrada
requerido para elevar la presin de un gas a un valor
especfico de una manera isentrpica y el trabajo deentrada real:
= Tabajo isentrpico del compresor
Trabajo real del compresor = W s / W a
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Compresores
Observe tambin que las condiciones de entrada y la
presin de salida del gas son las mismas, tanto para
el compresor real como para el isentrpico.
Cuando los cambios en la energa cintica y potencialson despreciables, el trabajo de entrada para un
compresor adiabtico se vuelve igual al cambio en la
entalpa, y la ecuacin en este caso se transforma en
:
= h 2s h1 / h2a - h1
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Compresores
donde h2a y h2s son los valores de entalpa en
el estado de salida para los procesos de
compresin real e isentrpico respectivamente,Tambin en este caso el valor del depende en
gran medida del diseo del compresor. Los
compresores bien diseados tienen eficienciasadiabticas que varan de 75 a 85 por ciento.
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Compresores
Cuando se intenta enfriar el gas en el momento de
comprimirlo, el proceso real es casi isentrpico y el
proceso isentrpico sirve como un proceso ideal. Los compresores con sistemas de enfriamiento
mediante aletas o camisas de agua alrededor de la
carcasa, no debe utilizarse este modelo ya que no es
adiabtico. El modelo conveniente es una eficienciaIsotrmica: = Wt / Wa
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Eficiencia en Bombas
Cuando los cambios en las energas potencial
y cintica de un lquido pueden ignorarse, la
eficiencia adiabtica de una bomba se define
como:
= Ws/Wa = v ( P2P1) / h2a - h1.
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EFICIENCIA DE TOBERAS
Las toberas son dispositivos esencialmenteadiabticos y se utilizan para acelerar un
fluido. Se define como la razn entre la
energa cintica real del fluido a la salida de
la tobera y el valor de la Ec a la salida de
una tobera isentrpica para el mismo
estado inicial y presin de salida:
= Ec real / Ec isentrpica = V2a / V2s
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Toberas
La presin de salida es la misma para elproceso real e isentrpico, pero el estado desalida es diferente. No genera trabajo ni Ep
Si la velocidad de entrada es pequea conrespecto a la de salida se tiene:
= h1 - h2a / h1 - h2s
Las eficiencias adiabticas son altas entre el 90y 95 % y algunos casos mayores
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Toberas
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EJEMPLO
A una turbina adiabtica entra vapor a 1.4
MPa, 350 C. La turbina tiene una eficiencia
adiabtica del 80 % y la presin de salida es
de 100 KPa. Determinar la potencia, la
temperatura de salida si el flujo msico esde 450 Kg/h.
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En una turbina adiabtica entra vapor
permanentemente a 3 MPa y 400C Y sale a 50
kPa y 100C. Si la salida de potencia de la
turbina es 2 MW y el cambio en la energacintica del vapor es despreciable. determine
a) la eficiencia adiabtica de la turbina y b) la
relacin de flujo de masa del vapor que fluyepor la turbina.
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Un compresor adiabtico en un sistema de
refrigeracin comprime 90 Kg / h de refrigerante
12 desde 200 KPa, 0 C hasta 1,2 MPa, 80 C.
Determinar la eficiencia del compresor adiabticoy la Irreversibilidad.
Suponga To 25 C
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Se utiliza una tobera convergentedivergente
para acelerar un fluido. La tobera es
adiabtica ingresa argn a baja velocidad con
una presin de 360 KPa y 1300 K. A la salidade la tobera la presin es de 130 KPa, 900 C.
Determine la velocidad de salida, la eficiencia
adiabtica de la tobera y la irreversibilidad.Suponga To 20 C
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Ejercicios Cengel 6-104 a 6-120
Identifique las principales fuentes de generacin deentropa en su casa y proponga manera dereducirlas.
Obtenga la siguiente informacin de una calefn: Lasalida de potencia neta, el tipo y la cantidad decombustible, la potencia consumida, otroselementos auxiliares.
Con estos datos determine la relacin de generacinde entropa.
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Una turbina de vapor recibe 18000 lb /h devapor a 400 Psi y 600 F y sale a 2 Psi.
Determinar la potencia de salida de la turbinay el incremento de entropa.
Entra aire a 14 Psi y 60 F a un compresor con
una relacin de 4000 pie3/min. y sale a 60 Psi.Calcular la potencia necesaria para mover elcompresor suponiendo:
Que el proceso es adiabtico reversible.
Que el compresor tiene un rendimiento del82%