Análisis termodinámico de procesos

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 6. ANÁLISIS DE PROCESOS

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Termodinámica Aplicada 06/07 Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 6. Análisis de procesosTema 6. Análisis de procesos

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

TEMA 6: ANÁLISIS DE PROCESOS

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

OBJETIVOS1. Entender el concepto de

irreversibilidad asociada a los procesos reales

2. Asimilar los procesos reales aprocesos genéricos

3. Plantear y resolver los correspondientes balances de energía, entropía y exergíaaplicados a sistemas abiertos y estacionarios

4. Evaluar la eficacia de los procesos reales

5. Conocer los métodos de análisis combinado: análisis de trabajo perdido y el análisis de Pinch

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• INTRODUCCIÓN

• Irreversibilidad

• REPRESENTACIÓN DE PROCESOS

• Asimilación de procesos reales a procesos genéricos

• BALANCES DE ENERGÍA, ENTROPÍA Y EXERGÍA

• EVALUACIÓN DE PROCESOS. CONCEPTO DE EFICACIA

• Medidas basadas en el primer principio

• Medidas basadas en el segundo principio

• MÉTODOS DE ANÁLISIS COMBINADO

• Análisis de trabajo perdido / exergía

• Análisis de Pinch

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• INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN











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Introducción

Análisis CANTIDAD

• Balances de energía - Contabilidad o auditorías energéticas

• Pérdidas, fugas, estadillos … → eficacia

• Primer principio: energía interna, entalpía, calor, trabajo

REPRESENTACIÓN DE PROCESOS → Cálculo (de condiciones, q, w )

• Enfoque: Termodinámico, no efectos cinéticos o temporales

• Asimilación de procesos reales a genéricos (<<ideales>>)

• Propiedades: EOS, tablas, correlaciones, modelos equilibrio

CALIDAD

• Cercanía de un proceso a la efectividad máxima

• <<Idealidad>> ↔ irreversibilidades → eficacia

• Segundo principio: entropía

CANTIDAD+CALIDAD

• Problema del valor final de la energía

• Exergía, trabajo perdido y sus balances

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Definiciones útiles

PROCESO REVERSIBLE: Aquel que habiendo tenido lugar puede invertirse,

y una vez invertido, no quedan cambios en el sistema y en el ambiente

(proceso de cuasi-equilibrio)

EXERGÍA (disponibilidad): Trabajo útil máximo que puede obtenerse del

sistema entre un estado inicial establecido y un estado muerto final en el

que el sistema y el entorno se encuentran en equilibrio (B = (Wrev)max)

TRABAJO REVERSIBLE: Trabajo útil máximo que puede obtenerse de un

sistema cuando es sometido a un proceso entre dos estados específicos

IRREVERSIBILIDAD (destrucción de exergía o trabajo perdido):

Trabajo potencial desperdiciado durante un proceso como resultado de las

irreversibilidades (rozamientos mecánicos, efecto Joule…)

Diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real I = Wrev-Wr

Identificadas irreversibilidades �� Mejoras de funcionamiento

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• INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

•• IrreversibilidadIrreversibilidad yy eficaciaeficacia










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Irreversibilidad y Eficacia

Eficacia de un proceso es la semejanza a la perfección en la

utilización de recursos y consecución de fines. Medida del

alejamiento de un proceso respecto al ideal

La irreversibilidad provoca este alejamiento

CAUSAS IRREVERSIBILIDAD

1. Rozamientos mecánicos

2. Flujo viscoso con gradiente

3. Flujo térmico con gradiente

4. Difusión con gradiente

5. Reacción química

6. Efecto Joule

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1. ROZAMIENTOS MECÁNICOS

El trabajo perdido o degradado (∆WDEGR) es inherente al sistema y está asociado al desplazamiento, debido al rozamiento

Ese trabajo se transforma en calor, ∆q (aumenta la energía térmica)

ENTROPIA CREADA

Ejemplos: engranajes, bombas, soplantes, compresores, turbinas (giro de ejes, deslizamiento por guías y carriles...)

LfWDEGR ∆=∆

00 TLf

TqS ∆=∆=∆

fROZF

F-fROZ

∆L

Se genera una fuerza de fricción que se opone al movimiento, y se requiere cierto trabajo para superarla

PROCESO IRREVERSIBLE

No es posible invertir este proceso y recuperar el trabajo perdido

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2. FLUJO VISCOSO CON GRADIENTE DE P

Tubería aislada y sin trabajo (proceso isoentálpico), el proceso se puede describir en un diagrama de Mollier(H-S) ⇒ EXPANSIÓN DE JOULE-THOMPSON.

La P va a disminuir (gradiente de P)

)( 21 SSdmdS −=

S

H P1

P2

S1 S2

dmPPSS

PPdS

21

21

21 −−=

−)(

TV

PS

H

=

∂∂

−=λ

−−

−=λ12

12

PPSS

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3. FLUJO TÉRMICO CON GRADIENTE DE T

Homogeniezación de T

Un cuerpo a T1 transmite dq a otro a T2<T1

BALANCE DE CALOR

Entropia creada, >0 para sistemas reales

PROCESO IRREVERSIBLE

La transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita es un proceso irreversible (menos irreversible cuanto menor es ∆T)

21

21

21 TTTTdq

Tdq

TdqdS )( −=+−=

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4. DIFUSIÓN CON GRADIENTE

Homogeniezación de concentración

Flujo de materia entre dos puntos de diferencia de potencial químico µ

dnT

dS )( 21 µ−µ=

5. REACCIÓN QUÍMICA

La irreversibilidad está asociada al grado de avance. Así la entropía creada:

En el equilibrio, dS = 0

ξµ

= ∑ dTa

dS ii )(

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6. EFECTO JOULE

Se produce cuando una intensidad eléctrica atraviesa una resistencia, que se calienta

Cierta cantidad de W se transforma en calor:TWS ∆=

La irreversibilidad está ligada a un gradiente (P, T, C...).

La velocidad de transferencia y la irreversibilidad es proporcional al gradiente:

Si gradiente ⇑⇑⇑⇑:

velocidad transferencia ⇑⇑⇑⇑

irreversibilidad ⇑⇑⇑⇑ (eficacia ⇓⇓⇓⇓)

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• INTRODUCCIÓN


• REPRESENTACIÓN DE PROCESOSREPRESENTACIÓN DE PROCESOS

•• AsimilaciónAsimilación de de procesosprocesos realesreales aa procesosprocesos genéricosgenéricos








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Representación de procesos

Reactores batch.Depósitos.

Procesos a volumen constanteIsócoros

Válvulas.Mezclas.

Procesos sin intercambio de trabajo útilIsoentálpicos

PV=cte. Procesos en fase gaseosa a Tas no bajas y presiones no altas.

Gas ideal

Procesos de flujo con pequeñas caídas de presión.Isobáricos

Largas conducciones exteriores.

Procesos lentos en contacto térmico con el ambiente u otra fuente de T cte.

Isotérmicos

Cambiadores.Compresores.

Procesos en dispositivos bien aislados.Procesos rápidos o con tiempos de residencia bajos.

Adiabáticos

Compresiones y expansiones.

PVn=cte. [n=0 → isobárico, n=∞ → isócoro] Donde n depende del dispositivo concreto.

Politrópicos

Compresores.Adiabáticos+ReversiblesIsoentrópicos

REPRESENTACIÓN DE PROCESOS: PROCESOS GENÉRICOS

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• INTRODUCCIÓN




• BALANCES DE ENERGÍA, ENTROPÍA Y EXERGÍABALANCES DE ENERGÍA, ENTROPÍA Y EXERGÍA







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Balances de energía, entropía y exergía

BALANCES (sistemas estacionarios, abiertos)

1er PRINCIPIO

021

1

2 =−+

++∑

=s

C

kkkkk wqmgzuH &&&

q&

sw&zuH ,, zuH ,,

Balance de energía

• C: nº de corrientes• + si entran, - si salen

∑∑ −+−=∆

sss

eees EmEmwq

dtEd

&&&&

Contribución de la U, Ecin, Epot

Separación de trabajo útil (ws) y trabajo de expansión

∑∑ =−+−s

sse

ees EmEmwq 0&&&&

Régimen no

estacionario

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2o PRINCIPIO

[ ] 011

=+

+∑∑

==

σ&&

&N

j j

jC

kkk T

qSm

Velocidad de creación de entropía(sist+alrededores); es lo que secalcula

Balance de entropía

La variación de entropía siempre tiene dos contribuciones (1)

(2) Entropía debida al intercambio térmico con los alrededores (+ o -)

(3) Entropía debida a la irreversibilidad (término de creación de

entropía, >0 proceso irreversible, =0 proceso reversible)

Para un proceso 1 y 2 conocidos, puedo calcular σ (analizo dónde se crea

S y mejoro) y comparar con otros procesos (σσσσ criterio de comparación)

1 2 3

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EXERGÍA (o disponibilidad, availability)

La EXERGÍA es una función de estado que se define en función de su

entalpía, entropía y de la temperatura media de los alrededores

Representa el máximo trabajo del sistema (que puede obtenerse de

éste) hasta alcanzar el estado muerto (equilibrio)

En un proceso reversible en el que la máquina de Carnot toma q

(Tsistema ⇓) y produce trabajo:

STHB 0−=

1

00

T

TSTHB ∆−∆=

Sólo podemos obtener una parte de energía como trabajo:

T0∆∆∆∆S: parte E que no puede convertirse (anergía) que no se encuentra disponible cuando el sistema está en equilibrio

EXERGÍA = ENERGÍA - ANERGÍA

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1er+2o PRINCIPIOS

[ ] 011

0

1=−−

−+∑∑

==

IwqTTbm s

N

jj

j

C

kkk

&&&&

Velocidad de creaciónde irreversibilidad.

muertoestadoSTVPzguUexergía →

∆+∆+

++∆→ 0,

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0

100

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Balance de exergía

EXERGÍA permite comparar E de distintos tipos en base igualitaria:

EXERGÍA TÉRMICA, intercambio de q sistema-alrededores (+/-)

EXERGÍA MECÁNICA, intercambio de trabajo mecánico (+/-)

IRREVERSIBILIDAD o destrucción de exergía (I ≥≥≥≥ 0)

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• INTRODUCCIÓN





• EVALUACIÓNEVALUACIÓN DE PROCESOS. CONCEPTO DE EFICACIADE PROCESOS. CONCEPTO DE EFICACIA

•• MedidasMedidas basadasbasadas en el primer en el primer principioprincipio

•• MedidasMedidas basadasbasadas en el en el segundosegundo principioprincipio




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Evaluación de procesos - eficacia

EFICACIAS

• Medidas del aprovechamiento o la irreversibilidad de los procesos

• Formas de expresión, para los distintos tipos de procesos

EE wóq

UtilUtil wóqSq

PROCESO

Un proceso recibe una determinada

cantidad de energía. Parte se

transforma en E utilizable y parte se

degrada. La relación entre estas dos

magnitudes es la eficacia

Si los procesos fuesen cíclicos y reversibles (ideales) ⇒ Eentrada/Esalida = 1

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EFICACIAS

CRITERIOS BASADOS EN EL 1ER PRINCIPIO

• Relaciones de conversión de energía

� EFICACIA O RENDIMIENTO TÉRMICO

� COP (coef. aprovechamiento):

o Ciclos de refrigeración

o Bombas de calor

� COEFICIENTES DE OPERACIÓN

Util

E

wq=β

E

S

E

Util

qq

qw

−== 1η

( )1>=E

S

wqβ

qE Wutil

qS

qE

Wutil

qS

SIST ALR

q

WE

qS

ALR SIST

CICLOS REFRIGERACIÓN BOMBAS DE CALOR

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CICLOS REFRIGERACIÓN

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BOMBAS DE CALOR

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EFICACIAS

CRITERIOS BASADOS EN EL 1ER PRINCIPIO

•Relaciones entre producciones/consumos reales e ideales

� Eficacias mecánicas o de engranaje → ( )revesaloEE

ideal

real=η

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CRITERIOS BASADOS EN EL 2O PRINCIPIO

• Eficacias isoentrópicas(%)

� de compresión →

� eficacia indicada (turbinas) →

• Eficacia exergética o racional →

BA

BsAS hh

hh−−=η

sT hh

hh21

21

−−=η

realreal

revreal

rev

realE w

bwwo

bw

ww ∆=

∆==η

S

H 1B

Bs

A22s

PB

P2

P1

PA

realreal COMPRESOR

TURBINA

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TURBINACOMPRESOR

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• INTRODUCCIÓN








•• MÉTODOS DE ANÁLISIS COMBINADOMÉTODOS DE ANÁLISIS COMBINADO

•• AnálisisAnálisis de de trabajotrabajo perdidoperdido // exergíaexergía


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Análisis de trabajo perdido

ANÁLISIS DE TRABAJO PERDIDO

• Valor del calor dificilmente cuantificable (cantidad+calidad/T)

• Análisis de consumos y producciones en términos de trabajo

• Todo proceso podría llevarse a cabo aportando (o recibiendo) sólo trabajo

(calentamientos y enfriamientos: máquinas de Carnot). De la forma más eficaz posible:

ambienteTmSTnzuHwwC

kkk

C

kkkkkid :,

21

01

01

2 ∑∑==

−

++== &&&&

• (Todos los intercambios de calor con el ambiente mediante máquinas de Carnot y a T0)

• Sin embargo, el trabajo asociado a un proceso real es:

qmzuHwC

kkkkkreal &&& −

++=∑

=1

2

21

corrientesC

0T

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Método de análisis combinado


• La diferencia entre ambos es el trabajo perdido:

qmSTwwwC

kkkidrealperdido &&&&& −=−= ∑

=10

• Es una medida de la irreversibilidad, equivalente a la variación de exergía y muy

relacionada con la velocidad de creación de entropía.

• Análisis:

� Se calcula el trabajo perdido para el proceso global y para cada parte del proceso.

� El porcentaje con que cada parte del proceso contribuye al trabajo perdido nos

indican donde están las mayores irreversibilidades (y posibilidades de mejora)

A mayor irreversibilidad del proceso, mayor velocidad de creación de entropía y mayor cantidad de energía resulta inaccesible para el trabajo. Las irreversibilidades llevan asociadas un coste.

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Ejemplo análisis de trabajo perdido


TH1 = 400 K

TH2 = 350 K

TC1 = 300 K

nH = 1 mol/s

∆Tmin = 10ºC

T0 = 300 K

Corrientes gases ideales Cp = 7/2 R

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Ejemplo análisis de trabajo perdido

• La TC2 (corriente fría a la salida) es mayor en CC (390K vs 340 K)

• TERMODINÁMICO: La velocidad de creación de entropía y el trabajo perdido son mayores para la operación en corrientes paralelas (200 J/s vs 107 J/s)

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• INTRODUCCIÓN








•• MÉTODOS DE ANÁLISIS COMBINADOMÉTODOS DE ANÁLISIS COMBINADO


• AnálisisAnálisis de Pinchde Pinch

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Análisis Pinch

ANÁLISIS DE PINCH

TECNOLOGÍA PINCH: conjunto de nuevos métodos termodinámicos quegarantizan un nivel de energía mínimo en el diseño de redes de intercambiadores de calor

Objetivos:• Maximización de la RECUPERACIÓN DE CALOR dentro del mismo proceso• Minimización de SERVICIOS AUXILIARES

� Diseño de una red de intercambio de calor apropiada

ANÁLISIS PINCH �� Diseño sistemático y metódico de redes

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Análisis Pinch

ANÁLISIS PINCH:

� 1ª Ley Tdca.: Cambios de H de las corrientes que pasan por el cambiador

� 2ª Ley Tdca.: Dirección del flujo de calor

Punto PINCH: El nivel de T en el que se obseva (∆T)min (“fuerza motrizmínima en el intercambiador de calor”

(∆T)min: Mínima diferencia de temperatura permitida en los perfiles de temperatura de las corrientes del cambiador de calor

1. Predice los requerimientos mínimos de energía externa, área de la red y nº de unidades para un proceso en el punto pinch

2. Diseño de la red de intercambiadores de calor que satisfaga estasnecesidades

3. Optimización de los costes totales anuales (fijos y operación)

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Análisis Pinch

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Problema

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. conocer las causas que provocan la irreversibilidad de los procesos y los conceptos de exergía, irreversibilidad y eficacia

2. aprender a representar procesos desde un punto de vista termodinámico haciendo uso de tablas, diagramas termodinámicos y ecuaciones de estado, a calcular condiciones de operación y flujos de energía térmica y mecánica, y a asimilar procesos reales a genéricos

3. plantear y resolver los balances de energía (primer principio), entropía(segundo principio) y exergía (combinación del primer y segundo principio) aplicados a sistemas estacionarios abiertos

4. aprender el concepto de eficacia de un proceso como medida del aprovechamiento o grado de irreversibilidad del mismo y calcular eficacias basadas en el primer principio (eficacia o rendimiento térmico, coeficientes de operación, eficacias térmicas o de engranaje) y basadas en el segundo principio (eficacia isoentrópicas y eficacia energéticas)

5. conocer los fundamentos de los métodos de análisis combinado: tecnología Pinch y del análisis de trabajo perdido

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 6. ANÁLISIS DE PROCESOS

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