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“UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO” FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA EN INGENIERIA EN GESTION PETROLERA

ESTUDIO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA EN EL FUNCIONAMIENTO DE MAQUINAS TERMICAS PETROLERAS.

GRUPO: LOS ADAMS, LOCOS POR LA INGENIERÍA. INTEGRANTES: MARQUEZ PACO KIOMY DANIELA. QUISPE QUISPE MAGALY GABRIELA.

TICONA QUISPE NOE. SEMESTRE: TERCERO. MATERIA: TERMODINAMICA. DOCENTE: Mg. Sc. FELIX GABRIEL ORELLANA SANCHEZ.

LA PAZ-BOLIVIA 2020 0

INTRODUCCION. El presente trabajo de investigación tiene por finalidad realizar el estudio en conjunto de la aplicación de la segunda ley de la termodinámica en máquinas térmicas intercambiadoras de calor de placas, induciendo principalmente en los conceptos básicos de la termodinámica y el segundo principio.

En termodinámica la primera ley nos dice que la energía no se crea ni se destruye, entonces surgen las mas grandes interrogantes donde se encuentran la energía o el calor y tampoco se identifica su dirección, cuya respuestas de estas interrogantes están contenidas en la segunda ley de la termodinámica, la definición completa se desglosara en los enunciados de Kelvin y Clausius, tales enunciados resultan tan específicos que de ellos se deduce la funcionalidad de estas, haciendo que vea un equilibrio térmico, atendiendo allí a la dirección que fluye el calor de un cuerpo de mayor temperatura a otro con una temperatura menor y nunca al revés. Esta ley define que existe otra magnitud llamada "entropía", que permanece constante en algunas transformaciones y que aumenta en otras, sin disminuir jamás. Aquellas trasformaciones en las cuales la entropía aumenta se denominan "procesos irreversibles".

Una maquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco caliente hasta un foco frio, en la industria petrolera se aplica mediante las maquinas intercambiadores de calor que se usan para la producción de gas, transporte de gas, extracción de petróleo y la producción de petroquímicos.

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Objetivo General

Demostrar las características de la segunda ley termodinámica que rigen dentro del funcionamiento de maquinarias térmicas en la industria petrolera.

Objetivos Específicos ✓ Describir conceptos básicos de la segunda ley de la termodinámica. ✓ Conceptuar la funcionalidad de una maquina térmica intercambiadora de calor de placas en la industria petrolera. ✓ Formular ejercicios o problemas a partir de los conocimientos prácticos de la segunda ley de la termodinámica en función a maquinarias térmicas intercambiadoras de calor.

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1. Marco Teórico. 1.1. La Termodinámica. Es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de volumen, temperatura y presión dentro de un sistema y su relación con otros sistemas. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

1.1.1 La Segunda Ley de Termodinámica. Nicolás Leonard Sadi Carnot (1976 - 1832) fue hijo de Lazarte Carnot. Sadi Carnot fue un ingeniero y oficial de la milicia francesa y es el pionero y fundador en el estudio de la Termodinámica, algunos no lo conceden como el padre de la Termodinámica por su condición de físico. Licenciado en la Escuela Politécnica, en 1824 publico Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las maquinas adecuadas para desarrollar esa potencia, en donde expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Todo el trabajo aportado de Carnot no fue entendido a su cabalidad por lo que lo denegaban toso su estudio, luego más tarde fue conocido en Alemania por Rudolf Clausius, que fue quien lo difundió y William Thomson (lord kelvin) quien hizo lo propio en el Reino Unido. Cabe mencionar que el ensayo de Carnot fue recogido por Clausius y Thompson para formular de una manera matemática, las bases de la termodinámica. Como reconocimiento a las aportaciones se rebautizo el principio de Carnot a al principio de Carnot-Clausius. Este principio permite determinar el máximo rendimiento de una maquina térmica en función de las temperaturas de su fuente caliente y de su fuente fría.

Figura (1). Nicolas

Sadi

Carnot

(1796-1832),

ingeniero y oficial en el ejercito francés. El trabajo de Carnot es más notable porque fue hecho sin la ventaja de

la

primera

ley,

que

no

fe

descubierta hasta 30 años más tarde

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El principio de la segunda ley de la termodinámica, marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, es imposible de que ocurra un sentido contrario (por ejemplo, una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño volumen). Este hecho viene caracterizado por el aumento de una magnitud física, S, la entropía del sistema termodinámico, con el llamado principio de aumento de entropía, que es una forma de enunciar el segundo principio de la termodinámica. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, el segundo principio impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

1.1.1.1 Maquinas Térmicas Declaración de Kelvin.

“Es imposible llevar a cabo una transformación cuyo resultado sea solo el de convierte el calor tomado de una sola fuente en trabajo mecánico” Una maquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual. 1) Absorbe calor de una fuente a alta temperatura. 2) La máquina realiza un trabajo y libera calor a una fuente a temperatura más baja. 3) Trabaja en ciclo. Las maquinas térmicas son sistemas que transforman calor en trabajo, por ejemplo: las maquinas de vapor, el motor de un coche e incluso el refrigerador, ya que va en sentido contrario.

Figura (2). Formación cíclica de transformación del calor.

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Figura (3). Maquina térmica de función de transformación calorífico en trabajo.

1.1.1.2. Refrigeradores Declaración de Clausius.

"Es imposible realizar una máquina cíclica que tenga el único resultado de transferir calor de un cuerpo frío a un cuerpo cálido" El calor no puede fluir espontáneamente de un objeto frio a otro cálido; el calor fluirá del cuerpo mas frio al más cálido si se hace, el trabajo sobre el sistema.

Figura (4, 5). Enunciado de Clausius (el refrigerador) la incapacidad de un dispositivito que funcione en un ciclo y que pueda suministrar calor de baja temperatura a otro de alta temperatura de forma natural. 5

1.1.1.3. Procesos Reversibles e Irreversibles.

Los procesos reales se producen en una dirección preferente, pero el proceso inverso solo se puede lograr con alguna influencia externa. En general un proceso irreversible es cuando el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado normal. Un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas y si es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.

Figura (6, 7). Funcionalidad de los procesos reversibles e irreversibles.

1.1.1.4. Entropía.

La estabilidad de un sistema depende básicamente de la entropía. El segundo principio de la termodinámica no se limita exclusivamente a maquinas térmicas, sino que se ocupa, en general, de todos los procesos naturales que suceden de manera espontánea, también se ocupa de la dirección en que avanza la cual se asocia a la distribución molecular interna de las moléculas.

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La entropía en cualquier proceso cíclico aumentará o permanecerá igual, y la variable definida es de estado cuyo cambio se define por un proceso reversible en T, donde Q es el calor absorbido.

1.2. Máquina Intercambiadora de Calor.

Un Intercambiador de Calor es un aparato tecnológico usado en sistemas refrigeración que permite realizar un intercambio térmico entre 2 fluidos, los cuales pueden entrar en contacto o estar separados por superficies de diversos materiales. Este equipo se usa para muchas aplicaciones dentro de la refrigeración industrial, desde los sectores de la producción de alimentos, medicinas, metales, entre muchos más.

Figura (8). Maquina intercambiadora de calor industrial.

1.2.1. Operación del Intercambiador de Calor en un Sistema de Refrigeración.

Dentro de un sistema de refrigeración, el Intercambiador de Placas funciona de forma similar al radiador de un auto: el anticongelante que absorbe el calor del motor, expulsa ese calor para volverse a enfriar y repetir el proceso. Así mismo, el Intercambiador de Calor es usado en todas aquellas aplicaciones que requieran enfriar o calentar fluidos. Y estos pueden ser de lo más diversos: 7

•

Gases.

•

Agua salada o dulce.

•

Refrigerantes.

•

Amoniaco.

•

Y muchos más dependiendo su aplicación.

Su papel es clave para la eficiencia de los procesos de todo el sistema, ya que, dependiendo de sus condiciones y una correcta ingeniería desde su diseño, fabricación e instalación, permite optimizar la calidad de los procesos que permiten el ciclo de refrigeración. Recordemos que en el ciclo de refrigeración un Intercambiador de Calor puede utilizarse como condensador, evaporador, economizador, enfriador de aceite, subenfriado de líquido y calentador de agua con gas de la descarga. A su vez, el Intercambiador de Calor puede ser instalado, por ejemplo, en un proceso previo al de la condensación ya que, al enfriar algún refrigerante o agua, permite que el condensador necesite menos energía para sus procesos, lo que al final reduce el gasto energético.

1.2.3. Tipos de Intercambiadores de Calor

Los Intercambiadores de Calor pueden ser clasificados en 2 tipos generales: 1. De contacto directo: cuando el intercambio térmico se realiza entre dos fluidos que entran en contacto entre sí, aunque luego puedan separarse. Un equipo que realiza este tipo de intercambio son las torres de refrigeración. 2. De contacto indirecto: en este equipo, el intercambio se realiza por medio del contacto de los fluidos con una superficie que los separa entre sí. 1.2.4. Intercambiadores de Calor de Placas Este tipo de equipos están teniendo un mayor uso en la industria gracias a la tecnología que usan, esto les permite tener varias ventajas como el ahorro de espacio, energía y eficiencia en el intercambio de calor.

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En ellos, los fluidos circulan por separado lo que los denomina un contacto indirecto; que a través de placas de acero, cobre o acero galvanizado y realizan su intercambio térmico por medio de la superficie de estas mismas placas. Existen varios tipos de Intercambiadores de Placas, en algunos las placas pueden estar soldadas, semi- soldadas o simplemente ajustadas a través de empaques. Por su eficiencia se usan tanto en aplicaciones industriales como de confort o procesos que requieren altos niveles de limpieza sanitaria, como lo es la pasteurización de leche, entre otros.

Figura (10, 11). Funcionalidad de los Intercambiadores de calor de placas.

1.2.5. Intercambiadores de Calor de Placas Soldadas.

Los Intercambiadores de Calor de Placas Soldadas de cobre proporcionan una transferencia de calor eficiente con una huella pequeña. No necesitan mayor mantenimiento y ofrecen una larga vida útil, ya que pueden soportar altas temperaturas y presiones de diseño extremadamente altas.

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Las tecnologías eficientes de transferencia de calor, junto con el conocimiento de los procesos y las aplicaciones, contribuyen a que las refinerías optimicen el uso de la energía y reduzcan las emisiones.

Figura (12). Funcionalidad del intercambiador de calor de placas soldadas.

1.2.6. Aplicaciones de la Maquina Intercambiadora de Calor de Placas Soldadas en la Industria Petrolera.

1.2.6.1. Intercambiadores de Calor para la Producción de Petróleo y Gas.

Las condiciones de funcionamiento y atmosféricas de las plantas de producción de petróleo y gas pueden ser muy extremas. Por este motivo, el equipo debe ser lo suficientemente resistente para soportar el tiempo de actividad de la producción. En los trenes de precalentamiento del crudo de las columnas de destilación atmosférica (ADU, por sus siglas en inglés), el intercambiador de calor de placas soldadas puede proporcionar un aumento notable de la temperatura del petróleo crudo antes del calentador de combustión, lo que reduce considerablemente el coste de explotación.

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Figura (13). Torres en donde los intercambiadores de calor realizan el trabajo con la funcionalidad de generar producción.

1.2.6.2. Intercambiadores de Calor para el Transporte de Petróleo y Gas.

Los buques de almacenamiento y las unidades flotantes de almacenamiento y regasificación tienen unos requisitos muy estrictos en lo que al rendimiento general del equipo se refiere, ya que los fallos inesperados pueden tener consecuencias desastrosas. En los procesos de fraccionamiento y regasificación del GNL, es extremadamente importante que la tecnología de intercambio de calor sea compacta, rentable y accesible. Los Aero enfriadores y los intercambiadores de calor de placas con empaquetaduras y soldadas que integran estos tres requisitos, por lo que se controla cada actividad de dichos procesos a la perfección.

Figura (14). Tuberías de transporte dirigidos al fraccionamiento de este. 11

1.2.6.3. Intercambiadores de Calor Para Aplicaciones de Perforación.

La perforación es la primera actividad de la cadena de producción de hidrocarburos. Dado que las plataformas suelen estar ubicadas en entornos difíciles, es indispensable que funcionen de manera fiable. Los intercambiadores de calor son flexibles y resistentes, lo que contribuye a que las plataformas funcionen durante el mayor tiempo posible. Se soluciona para cubrir todos los tipos de demanda de transferencia de calor: en especial para refrigerar el lodo, donde la seguridad es imprescindible para evitar el riesgo de contaminación ambiental. En un proceso de perforación sin problemas, independientemente de la temperatura y el nivel de presión.

Figura (15). Maquina intercambiadora de calor dentro de las bombas de lodo perforantes.

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1.2.6.4. Intercambiadores de Calor Para Productos Petroquímicos.

Las actividades petroquímicas dependen de la eficiencia de los procesos y de la optimización energética por medio de equipos de transferencia de calor eficientes y fiables. Los intercambiadores de calor de placas soldadas ofrecen una eficiencia sin parangón en procesos de producción de óxido etileno y etilenglicol. Las diferentes características de las placas, las geometrías y el espaciado permiten que se adapten al proceso necesario. Esto se traduce en una ausencia de concesiones entre la resistencia al ensuciamiento, la capacidad de limpieza, la eficiencia térmica y las caídas de presión.

Figura (16, 17). Funcionalidad de esta aplicación en refinerías para obtener derivados del crudo.

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2. Marco de Aplicación. 2.1. Formula De La Segunda Ley De La Termodinámica “Es imposible construir una máquina térmica que transforme en su totalidad el calor en energía y viceversa”. La Eficiencia de una máquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado. Y podemos encontrarla de diversas formas: Dónde: Trabajo Mecánico [Cal, Joules] Calor suministrado a la máquina por el combustible en calorías (cal) o en Joules (J) = Eficiencia de la máquina térmica También la podemos encontrar de la siguiente manera: Dónde: Calor Suministrado [Cal, Joules] Calor Obtenido [Cal, Joules] La eficiencia de una máquina térmica se puede calcular también en función de la relación que hay entre la temperatura de la fuente caliente (T1) y la fuente fría (T2), ambas medidas en temperaturas absolutas, es decir, en grados Kelvin (K) dónde: Donde: 𝑇1 =Temperatura de la fuente caliente. 𝑇2 =Temperatura de una fuente fria 14

2.2. Aplicación de la Segunda Ley de Termodinámica en Maquinas Térmicas. Problema 1 ¿Cuál es la eficiencia de una máquina intercambiadora de calor de placas a la cual se le suministrarán 8000 calorías para obtener 25200 Joules de calor de salida? Solución: Se debe convertir las calorías en Joules, y nos referimos a las calorías que se suministran: 4.2 𝐽 𝑄1 = 8000𝑐𝑎𝑙 ( ) 1𝑐𝑎𝑙 Ahora si podemos sustituir nuestros datos en la fórmula:

𝑛 =1−

𝑄1 𝑄2

Sustituyendo nuestros datos:

𝑛 =1−

𝑄2 25200𝐽 =1− = 1 − 0,75 𝑄1 33600𝐽

𝑛 = 1 − 0,75 = 0,2 El valor de 0.25 lo multiplicamos por 100, para obtener el porcentaje de la eficiencia térmica: 𝑛 = 100 ∗ (0,25) 𝑛 = 25%

Problema 2.Calcular la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministran 5.8 x 10^8 cal, realizando un trabajo de 8.3 x10^7 J.

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Solución: Vamos a utilizar nuestros datos de la siguiente manera: 𝑄1 = 5.8𝑥108 𝑐𝑎𝑙 (Calor suministrado a la maquina) 𝑊 = 8.3𝑥107 𝐽

(Trabajo realizado por la máquina)

Convertimos las calorías en Joules, haciendo este pequeño factor de conversión 1 Cal = 4.2 J/ Cal, de tal manera que ahora

, tendrá el siguiente valor:

4.2𝐽 𝑄1 = 5.8 × 108 𝑐𝑎𝑙 ( ) = 2.436 × 109 𝐽 1𝑐𝑎𝑙 Sustituyendo en la fórmula, tendremos:

𝑛=

𝑛=

𝑊 𝑄

8.3𝑥107 𝐽 2.436𝑥109 𝑗

𝑛 = 0.034 Que multiplicado por 100, tendríamos 𝑛 = 100 ∗ (0.034) 𝑛 = 3.4 ∗ 100 𝑛 = 3.4% Haciendo un total del 3.4% de eficiencia térmica, bajo esas condiciones.

Problema 3 Determinar la temperatura en °C de la fuente fría en una máquina térmica cuya eficiencia es del 36% y la temperatura en la fuente caliente es de 89.18°C 16

Solución: Al igual que el ejemplo 6, en este problema contamos solamente con el dato de la temperatura inicial que son 89.18°C, pero también contamos con la eficiencia térmica de la máquina por lo que debemos de saber que lo único que necesitamos hacer es despejar a la temperatura final de la fórmula. Pero primero necesitamos recopilar nuestros datos: Formula: 𝑛=1−

𝑇2 𝑇1

Datos: 𝑇1 = 89.18°𝐶 + 273 = 362.18 𝐾 η = 36% Obtener la temperatura en °C Recordemos que tenemos la siguiente fórmula de la eficiencia térmica: Despejamos a T2 (temperatura final) 𝑇2 = 𝑇1 (1 − 𝑛) Ahora si podemos sustituir los datos en nuestra fórmula: 𝑇2 = 583 ∗ (1 − 0.36) 𝑇2 = 583 ∗ (0.64) 𝑇2 = 373.12𝐾 Convirtiendo la temperatura final a grados Celsius. 𝑇2 = 373.12𝐾 − 273 𝑇2 = 100.12°𝐶

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3. Conclusión. Con este trabajo investigativo podemos concluir la eficiencia de una maquina industrial petrolera en este caso tenemos a la maquina intercambiadora de calor de placas y para calcular su eficiencia aplicamos el segundo principio de la termodinámica, y sus respectivas fórmulas de Kelvin y Clausius. La gran importancia del estudio investigativo de este proyecto realizado para demostrar las características fundamentales de la segunda ley de la termodinámica que rigen en el funcionamiento de las maquinas térmicas petroleras, fue de gran importancia ya que en ella se encuentra la funcionalidad de aplicaciones varias en el campo petrolero, y como estudiantes de ingeniería, se reforma al entendimiento adecuado, de lo que significa la eficiencia de las maquinas térmicas y con ello la determinación de ciertos problemas. En la producción obtenidas de los problemas de maquinas térmicas, intercambiadores de calor de placas se puede corroborar de que la eficiencia de las maquinas puede variar según el diseño de la maquina o también del contenido.

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