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viernes, 6 de julio de 2012

CICLO DE CARNNOT

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por
y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor.





Figura 1.1 Ciclo de Carnot


Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
                                          

Figura 1.2 Ciclo de Carnot
La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente


Tramo A-B isoterma a la temperatura T1
Tramo B-C adiabática
Tramo C-D isoterma a la temperatura T2
Tramo D-A adiabática
En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:
  • La presión, volumen de cada uno de los vértices.
  • El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.
  • El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.
Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.
Variables
A
B
C
D
Presión p (atm)
pA



Volumen (litros)
vA
vB


Temperatura T (K)
T1
T1
T2
T2


Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos diseñando debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo Tc y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura Tf.
Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debería tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que estamos buscando debe incluir dos procesos isotermos, uno de absorción de calor a Tc y uno de cesión a Tf.
Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo antes de la cesión), debemos incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos). La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles (no es la única forma, el motor de Stirling utiliza otro método, la recirculación). Por tanto, nuestra máquina térmica debe constar de cuatro pasos:
·         C→D Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc.
·         D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, Tf.
·         A→B Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura Tf.
·         B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente,Tc.

Las etapas del ciclo

  1. Transformación A->B (isoterma)
La presión pB se calcula a partir de la ecuación del gas ideal 
Variación de energía interna 
Trabajo 
            Calor 


  1. Transformación B->C (adiabática)

La ecuación de estado adiabática es  o bien, . Se despeja vc de la ecuación de la adiabática


Conocido vc y T2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas ideal. .
Calor
Variación de energía interna 
            Trabajo 


  1. Transformación C->D (isoterma)

Variación de energía interna 
Trabajo 
Calor 

  1. Transformación D-> A (adiabática)

Se despeja vde la ecuación de la adiabática Conocido vD y T2 se obtiene pD, a partir de la ecuación del gas ideal. .
Calor 
Variación de energía interna 
Trabajo 

El ciclo completo
  • Variación de energía interna
En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero
  • Trabajo

Los trabajos en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. A partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas, la relación entre los volúmenes de los vértices  es , lo que nos conduce a la expresión final para el trabajo.


Calor
En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 ya que vB>vA de modo que
En la isoterma T2 se cede calor Q<0 ya que vD<vC
  • Rendimiento del ciclo
Se define rendimiento como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido

Aplicaciones del ciclo de cannot.

Dos importantes áreas de aplicación de la termodinámica son la generación de potencia y refrigeración. Ambas se llevan a cabo por sistemas que operan mediante un ciclo termodinámico. Estos ciclos pueden ser divididos en dos categorías generales: ciclos de potencia y ciclos de refrigeración. 

Los dispositivos o sistemas empleados para producir una salida de potencia neta reciben el nombre de maquinas, y los ciclos termodinámico en los que opera se denominan ciclos de potencia.
Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el Criterio de signos termodinámico. Los cuales hacen referencia a  los intercambios de energía entre un sistema y su entorno, en forma de calor y trabajo,según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), es el siguiente:

·         Positivo para el trabajo y el calor entregado al sistema.
·         Negativo para el trabajo y el calor cedido por el sistema.

Los primeros son los de aplicación a máquinastérmicas, y recorren los diagramas típicos de representación ( p-v ,T-s,h-s) ensentido horario. Los ciclos inversos son de aplicación a máquinas frigoríficas yrecorren los diagramas típicos ( p-h,h-s) en sentido antihorario.

sábado, 19 de mayo de 2012

MEDIDORES DE FLUJOS DE FLUIDOS


DISPOSITIVOS PARA MEDIR CAUDAL Y VELOCIDAD DE FLUJOS O FLUIDOS
            1. TUVO VENTURIMETRO
Es un tipo de boquilla especial, seguida de un cono que se ensancha gradualmente, accesorio que evita en gran parte la pérdida de energía cinética debido al rozamiento. Es por principio un medidor de área constante y de caída de presión variable.
                                                     Figura 1. Medidor tipo Venturí

2. MEDIDOR DE ORIFICIO
El medidor de Orificio es un elemento más simple, consiste en un agujero cortado en el centro de una placa intercalada en la tubería. El paso del fluido a través del orificio, cuya área es constante y menor que la sección transversal del conducto cerrado, se realiza con un aumento apreciable de la velocidad (energía cinética) a expensa de una disminución de la presión estática (caída de presión). Por esta razón se le clasifica como un medidor de área constante y caída de presión variable.
  1. TUBO DE PITOT
Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. El equipo consta de un tubo cuya abertura está dirigida agua arriba, de modo que el fluido penetre dentro de ésta y suba hasta que la presión aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad. El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubería).

                                                    Figura 3. Tubo de Pitot
4. ROTAMETROS
Es un medidor de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.

 

5.  MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
 Son el fundamento o la base de muchos elementos de control. El medidor de desplazamiento positivo es un instrumento sensible al flujo. Este responde a variaciones en el valor del flujo y responde a señales mecánicas correspondiente a la rotación del eje. Se aplican en las siguientes circunstancias: donde se encuentre un flujo grande, donde se requiere una respuesta directa al valor de la variación del flujo y donde la acción mecánica es necesaria.

 FLUXOMETRO DE VORTICE
Una obstrucción chata colocada en la corriente del flujo provoca la creación de vortices y se derrama del cuerpo a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el fluxometro detecta los vortices y genera una indicación en la lectura del dispositivo medidor.

              Figura 2.  fluxometro de vortice
FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO
Su principio de medida esta basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a través de un campo magnético, se produce una fuerza electromagnética (F.E.M.), directamente proporcional a la velocidad del mismo, de donde se puede deducir también el caudal.
Está formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.
El flujo completamente sin obstrucciones es una de las ventajas de este medidor. El fluido debe ser ligeramente conductor debido a que el medidor opera bajo el principio de que cuando un conductor en movimiento corta un campo magnético, se induce un voltaje.
FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO
El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que además necesita alimentación eléctrica.
Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:
·         DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.
·         TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido.
La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido Tendremos dos señales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores.
Se puede hallar una relación diferencial del flujo con el tiempo transmitiendo la señal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las señales en viajar por el flujo.

PLANTAS TERMOELÉCTRICAS LOCALIZADAS EN COLOMBIA

PLANTAS TERMOELÉCTRICAS LOCALIZADAS EN COLOMBIA







 Planta Termocartagena

Tecsa tiene una planta termoeléctrica de 186MW con tres unidades a gas de la turbina de generación

El poder es enviado desde la planta a través de una línea de 6 km, doble circuito de 220 kV a la subestación de Ternera y luego a través de dos líneas de 66 kV para su distribución en el área de Cartagena.
Tecsa es 99.71% por el Fondo de Colombia Electricidad (CEF).


Termoguajira

la Termoeléctrica con capacidad generadora de 150.000 KVA. El proyecto, que tuvo entre otras características el montaje de equipos de 333 toneladas de estructura metálica, corresponde a la segunda Unidad de la Central Termoguajira, con una capacidad total de 160 MW. Las unidades operan a base de gas natural y carbón.

Termoelectrica TEBSA

tebsa producirá más energía para la Costa. 
La generación de otros 40 mil kilovatios eleva a 790 megavatios la capacidad de la  central térmica. Esto la convierte en la más grande de América Latina.
La central que tiene Tebsa en el municipio de Soledad cuenta con una  capacidad de producción de energía de 790 megavatios. Será la planta más grande con 790 megavatios en América Latina.

De acuerdo con Electricaribe y Electrocosta, distribuidores de energía, el consumo de la Costa
Caribe pasó de 819 en el 2005 a 869 megavatios en el 2006, con un crecimiento del 6%. A nivel nacional el consumo tuvo un aumento del 2,92% de un período a otro.
La generación de energía es a través de la instalación de unos quemadores adicionales en las calderas.



LA CENTRAL MÁS GRANDE

En el momento se ejecuta uno y consiste en una actualización tecnológica de algunas de las piezas de los compresores de las turbinas que permiten adicionar una mejor capacidad de generación de energía.
Las turbinas de gas son equipos en permanente desarrollo por lo que unos cambios en los diseños y materiales permiten una mejor eficiencia.
La producción de energía es de 790 megavatios en ciclo combinado, con gas natural y vapor, y 120 megavatios en ciclo simple. Se está despachando energía dependiendo de las condiciones hídricas del país.
Esto la convierte en la planta más grande del país en cuanto al parque térmico, incluso en América 

lunes, 2 de abril de 2012

CENTRALES TERMOELECTRICAS


Una  central termoeléctrica es una instalación que se usa para generar energía eléctrica a partir de energía liberada en forma de calor mediante la combustión de algunos combustibles. Este calor es utilizado por un ciclo de termodinámica para mover un alternador y generar energía eléctrica.
El alternador es un  dinamo utilizado para producir energía eléctrica alterna a partir de energía mecánica y de los principios de electromagnetismo. 
 Estas centrales usan como combustibles el petróleo, el gas natural o el carbón. Este tipo de centrales que usan la combustión contribuyen  al “efecto invernadero”, ya que liberan gases como el dióxido de carbono.  Sin embargo la masa de este gas no es la misma en todos los casos, ya que el carbón se compone de carbón e impurezas, depende de sus diferentes componentes, este puede ser dióxido de carbono o monóxido de carbono.  En el gas natural por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno por lo que su contaminación es mucho menor en el ambiente. Es por ello que cuando los gases proceden de combustión de impureza la contaminación es mucho menor.

Las centrales térmicas clásicas son aquellas que utilizan la combustión de gas natural, carbón o petróleo para producir energía eléctrica. Son muy rentables y económicas por lo que su uso se extiende en los países de economía avanzada y en los de vía en desarrollo.  

Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional
1. Torre de refrigeración10. Válvula de control de gases19. Supercalentador
2. Bomba hidráulica11.Turbina de vapor de alta presión20. Ventilador de tiro forzado
3. Línea de transmisión (trifásica)12. Desgasificador21. Recalentador
4. Transformador (trifásico)13. Calentador22. Toma de aire de combustión
5. Generador eléctrico (trifásico)14. Cinta transportadora de carbón23. Economizador
6. Turbina de vapor de baja presión15. Tolva de carbón24. Precalentador de aire
7. Bomba de condensación16. Pulverizador de carbón25. Precipitador electrostático
8. Condensador de superficie17. Tambor de vapor26. Ventilador de tiro inducido
9. Turbina de media presión18. Tolva de cenizas27. Chimenea de emisiones

Figura 1.0 Central Térmica
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoelectrica


CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO

Es un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Los gases de escape de la turbina de gas, son utilizados para producir el vapor que hace mover a la segunda turbina, que ya es de vapor. cada turbina esta unida a un alternador para generar la energía eléctrica. Normalmente en estas centrales solo funciona la turbina de gas; por lo que se le llama ciclo abierto. La mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diésel incluso en funcionamiento. Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es mas alta que en el caso  de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.
Figura 1.1 Central térmica de ciclo combinado

En Colombia varias tipos de plantas generadores de energía en este caso, en la generación de centrales térmicas mencionaremos dos, TERMOBARRANCAS Y TERMOCARTAGENA representan un gran aporte a la sociedad y al desarrollo industrial de la región, aprovechando los recursos naturales tales como: Gas Natural, Combustoleo, agua, etc, y contribuyendo a generación de empleo

Figura 1.3 Distribución de algunas  fuentes en colombia.
Fuente: http://elcondensador.net/media/Sistemas%20mecatronicos%20III/SistemasTermicosdeGeneraciondeEnergia1deg.pdf 



Efectos ambientales en las centrales térmicas:

Los efectos ambientales de una central térmica provienen del proceso de combustión, así como de las emisiones de polvo y gases contaminantes.

· emisiones contaminantes, ocupación de espacio por la central y volumen de residuos

· Aumento en fuel oil ligero, fuel oil pesado y combustión de carbón.

· El gas radón radioactivo es un contaminante frecuente en las minas subterráneas de uranio.

Los materiales radioactivos emiten radiación ionizante penetrante que puede dañar los tejidos vivos.


Mientras tanto, el sistema eléctrico colombiano ha venido aumentando su componente térmica de manera considerable; como se puede observar en la gráfica 1.4, en 1994 la estructura del sistema eléctrico era de 80% hidráulica y 20% térmica; en 1996 la composición se situaba en 76% hidráulica y 24 térmica y en 1998, con el ingreso de nuevos proyectos, de los cuales el 88% corresponden a plantas térmicas, utilizando fundamentalmente gas natural, la composición se modificó incrementando el valor de las térmicas con un 34% e hidráulica con un 66%; de igual forma la proyecciones que se tienen para el sistema energético colombiano sitúan en partes iguales, es decir, 50% térmicas y 50% hidráulica, la generación energética para el año 2010, lo que se convierte en una perspectiva favorable para la penetración del gas y el carbón. En el gráfico 1 se muestra la evolución de expansión en generación eléctrica en Colombia para el periodo 1994 - 2010.

Figura 1.4  Estructura del sistema eléctrico colombiano