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Balance de energia en una turbina

Ecuación de balance energético de la turbina de vapor

Dentro de una turbomáquina se puede cambiar la entalpía, la energía cinética y la energía potencial de un gas de trabajo de acuerdo con la ecuación de la primera ley de la termodinámica para el sistema abierto y se puede utilizar para todos los tipos de turbomáquinas. En los siguientes capítulos se describe la energía de transformación para varios tipos de turbomáquinas (incluyendo las pérdidas), tal y como se suele utilizar en la práctica.

En el capítulo Potencia interna de salida/entrada de la turbomáquina Pi se define el trabajo interno específico ai. Otro parámetro interno de la máquina es su eficiencia interna(1) ηi, que define una calidad de transformación de la energía dentro de la máquina a través de una comparación del trabajo interno específico real con el trabajo interno específico ideal de la máquina. La diferencia entre el trabajo interno específico real y el trabajo interno específico ideal se denomina pérdidas internas específicas del sistema/máquina z(2).

(1)ObservaciónPara los casos de máquinas hidráulicas se suele utilizar el término eficiencia hidráulica para la eficiencia interna, para los casos de máquinas de calor se suele utilizar el término eficiencia termodinámica y para los casos de turbinas eólicas y hélices se omite la palabra “interna”.

Ecuación de balance energético de la turbina

Considere un sistema que consiste en un reactor de tanque agitado donde se produce una reacción exotérmica, donde un motor externo está mezclando el contenido en los reactores. ¿Cuáles son los signos de [latex]Q[/latex] y [latex]W[/latex] para este sistema?

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[latex]\N- Q + \dot{W}_{s} = \Sigma_{out} \dot{m}_{j} * (\hat{U}_{j} + P_{j} \hat{V}_{j} + \hat{E}_{k,j} + \hat{E}_{p,j}) – \Sigma_{in} \dot{m}_{j}*(\hat{U}_{j} + P_{j}hat{V}_{j} + \hat{E}_{k,j} + \hat{E}{p,j})[/latex]

Antes de entrar en un horno, el aire se calienta desde [latex]25^{circ}C[/latex] hasta [latex]150^{circ}C[/latex] y el cambio de entalpía específica para todo el proceso de calentamiento es de 3640 J/mol. El caudal de aire a la salida del calentador es de [latex]1,5 m^3/min[/latex] y la presión del aire en este punto es de 150 kPa absolutos.

El agua se utiliza para enfriar un líquido en un intercambiador de calor. El agua entra en el intercambiador de calor a [latex]10^{circ}C[/latex] y sale a [latex]100^{circ}C[/latex]. Utilizando la siguiente tabla, encuentre el cambio de entalpía del agua en su estado líquido.

Ecuación de balance energético en estado estacionario

Para muchos problemas, . Como ejemplo de un caso en el que esto no es así, es decir, un caso en el que , considere el volumen de control esbozado a continuación en el que parte de la superficie de control se encuentra a lo largo de una pared móvil con fricción. (La pared superior se mueve, pero la inferior está fija).

Analogía – Piensa en la clase de física del instituto cuando aprendiste por primera vez el concepto de trabajo. Mi profesor empujaba la pared con todas sus fuerzas y decía: “¿Cuánto trabajo estoy haciendo?”. Respuesta: Ninguno. Trabajo = Fuerza x Distancia. Aquí hay una fuerza, pero no hay distancia. Para el flujo a lo largo de una pared sólida estacionaria, es lo mismo: hay una fuerza (por unidad de superficie) que es , pero no hay movimiento . Por lo tanto, el trabajo viscoso neto a lo largo de esta pared es cero.

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En este caso, si la superficie de control se toma a lo largo de las paredes de los álabes, . Sin embargo, ¡podemos dibujar el C.V. alrededor de todo el conjunto! Simplemente incluimos todos los términos de trabajo viscoso y de presión en estos álabes como parte de . Así que aquí, aunque no sea cero a lo largo de los álabes mismos, podemos evitar evaluar la integral ya que la incluimos en , que normalmente es un dato o una incógnita en el problema. En otras palabras, podemos agrupar todos los términos de trabajo viscoso en un solo término y llamarlo .

Balance energético de un condensador

Este artículo presenta una comparación de los análisis energéticos convencionales y los basados en el balance térmico de una turbina de vapor. Ambos análisis se comparan utilizando parámetros de funcionamiento medidos en la explotación de turbinas de vapor de baja potencia. La principal desventaja del análisis energético convencional de la turbina de vapor es que los flujos de energía extraídos no son iguales en los procesos de expansión reales (politrópicos) e ideales (isentrópicos), mientras que el análisis energético basado en el balance térmico resuelve con éxito dicho problema. El análisis energético basado en el balance térmico requiere un aumento de los caudales másicos de vapor extraídos de la turbina en el proceso de expansión ideal (isentrópico) para garantizar siempre los mismos flujos de energía a todos los consumidores de vapor. El aumento del caudal másico de vapor extraído a través de cada extracción de la turbina (análisis energético basado en el balance térmico) se traduce en una disminución de las pérdidas de energía y en un aumento de la eficiencia energética de toda la turbina y de todos sus cilindros (en comparación con el análisis convencional). Todas las conclusiones obtenidas en esta investigación son válidas no sólo para la turbina de vapor de baja potencia analizada, sino también para cualquier otra turbina de vapor con extracciones de vapor.

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