Propiedades del agua supercrítica. A presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradual y continuamente. Ingenieria termal
Propiedades del agua supercrítica
Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos . A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas .
A presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradual y continuamente de aquellas que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin un cambio de fase . No hay cambio en la fase del agua en el núcleo. Por otro lado, las propiedades físicas como la densidad, el calor específico, la entalpía específica experimentan cambios significativos, especialmente en el rango de temperatura de la región pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C y 392 ° C). Por ejemplo, en un reactor de agua supercrítico típico :
la densidad del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 777 kg / m 3 (para 25MPa y 280 ° C) y 90 kg / m 3 (para 25MPa y 500 ° C),
La entalpía específica del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 1230 kJ / kg (para 25MPa y 280 ° C) y 3165 kJ / kg (para 25MPa y 500 ° C)
Las siguientes figuras muestran el comportamiento de las propiedades termofísicas del agua cerca de los puntos críticos (22.1MPa) y pseudocríticos (25MPa). Cerca del punto crítico, estos cambios de propiedad son dramáticos. En la vecindad del punto pseudocrítico a 25 MPa, estos cambios de propiedad se vuelven menos significativos. A 25 MPa, los cambios de propiedad más significativos ocurren dentro de ± 25 ° C alrededor del punto pseudocrítico (389.4 ° C), esta región se conoce como la región pseudocrítica. Por conveniencia, se considera que las propiedades del fluido debajo del punto pseudocrítico muestran un comportamiento similar al líquido y por encima del punto pseudocrítico muestran un comportamiento similar al gas .
Propiedades típicas del refrigerante en SCWR.
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Curva isobárica – Isobar – Diagrama pV. En un diagrama pV, el proceso ocurre a lo largo de una línea horizontal (llamada isobar) que tiene la ecuación p = constante
Proceso isobárico
Un proceso isobárico es un proceso termodinámico , en el cual la presión del sistema permanece constante (p = const). La transferencia de calor dentro o fuera del sistema funciona, pero también cambia la energía interna del sistema.
En un diagrama pV , el proceso ocurre a lo largo de una línea horizontal (llamada isobar) que tiene la ecuación p = constante.
En un diagrama pV, el proceso ocurre a lo largo de una línea horizontal (llamada isobar) que tiene la ecuación p = constante.
Proceso isobárico – características principalesPara una masa fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura Kelvin. Fuente: grc.nasa.gov La política de derechos de autor de la NASA establece que “el material de la NASA no está protegido por derechos de autor a menos que se indique lo contrario”.
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Qué es el Vapor Supercrítico. El vapor supercrítico es en realidad agua supercrítica, porque a presiones supercríticas el fluido se considera una sustancia monofásica. Ingenieria termal
¿Qué es el vapor supercrítico?
El “vapor” supercrítico es en realidad agua supercrítica , porque a presiones supercríticas el fluido se considera una sustancia monofásica. Sin embargo, este término se usa ampliamente (e incorrectamente) en la literatura en relación con generadores y turbinas supercríticas de “vapor”.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA
A presión, que es más alta que la presión crítica, el agua está en un estado especial, que se conoce como estado fluido supercrítico . Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos. A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas.
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Ejemplo de proceso isobárico: adición de calor isobárico. Supongamos una adición de calor isobárico en un gas ideal. Calcule el calor agregado por el intercambiador de calor. Ingenieria termal
Ejemplo de proceso isobárico: adición de calor isobárico
El ciclo de Brayton ideal consta de cuatro procesos termodinámicos. Dos procesos isentrópicos y dos procesos isobáricos.
Supongamos el ciclo de Brayton ideal que describe el funcionamiento de una máquina térmica de presión constante . Los motores de turbina de gas modernos y los motores a reacción con respiración de aire también siguen el ciclo de Brayton.
El ciclo de Brayton ideal consta de cuatro procesos termodinámicos. Dos procesos isentrópicos y dos procesos isobáricos.
Compresión isentrópica : el aire ambiente se introduce en el compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W C = H 2 – H 1 .
Adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para entrar y salir. El calor neto agregado viene dado por Q add = H 3 – H 2
Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado luego se expande en la turbina y cede su energía. El trabajo realizado por la turbina está dado por W T = H 4 – H 3
rechazo de calor isobárico – el calor residual debe ser rechazado para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado está dado por Q re = H 4 – H 1
Suponga una adición de calor isobárico (2 → 3) en un intercambiador de calor. En las turbinas de gas típicas, la etapa de alta presión recibe gas (punto 3 en la figura; p 3 = 6,7 MPa ; T 3 = 1190 K (917 ° C)) de un intercambiador de calor. Además, sabemos que el compresor recibe gas (punto 1 de la figura; p 1 = 2,78 MPa ; T 1 = 299 K (26 ° C)) y sabemos que la eficiencia isentrópica del compresor es η K = 0,87 (87 %) .
Calcule el calor agregado por el intercambiador de calor (entre 2 → 3).
Solución:
A partir de la primera ley de la termodinámica , el calor neto añadido viene dado por Q add = H 3 – H 2 o Q add = C p . (T 3 -T 2s ), pero en este caso no conocemos la temperatura (T 2s ) en la salida del compresor. Resolveremos este problema en variables intensivas. Tenemos que reescribir la ecuación anterior (para incluir η K ) usando el término (+ h 1 – h 1 ) para:
Q suma = h 3 – h 2 = h 3 – h 1 – (h 2s – h 1 ) / η K
Q suma = c p (T 3 -T 1 ) – (c p (T 2s -T 1 ) / η K )
Luego calcularemos la temperatura, T 2s , usando p, V, T Relación para el proceso adiabático entre (1 → 2).
En esta ecuación, el factor de helio es igual a = c p / c v = 1,66 . De la ecuación anterior se deduce que la temperatura de salida del compresor, T 2s , es:
Q suma = c p (T 3 -T 1 ) – (c p (T 2s -T 1 ) / η K ) = 5200. (1190 – 299) – 5200. (424-299) /0.87 = 4.633 MJ / kg – 0,747 MJ / kg = 3,886 MJ / kg [/ lgc_column]
Proceso isobárico – características principalesPara una masa fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura Kelvin. Fuente: grc.nasa.gov La política de derechos de autor de la NASA establece que “el material de la NASA no está protegido por derechos de autor a menos que se indique lo contrario”.
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Ejemplo: Pistón sin fricción - Calor - Entalpía
Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor.
Un pistón sin fricción se utiliza para proporcionar una presión constante de 500 kPa en un cilindro que contiene vapor de agua ( vapor sobrecalentado ) de un volumen de 2 m 3 a 500 K . Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor .
Solución:
Usando tablas de vapor sabemos que la entalpía específica de dicho vapor (500 kPa; 500 K) es de aproximadamente 2912 kJ / kg . Dado que en esta condición el vapor tiene una densidad de 2.2 kg / m 3 , entonces sabemos que hay aproximadamente 4.4 kg de vapor en el pistón con una entalpía de 2912 kJ / kg x 4.4 kg = 12812 kJ .
Cuando usamos simplemente Q = H 2 - H 1 , entonces la entalpía resultante del vapor será:
H 2 = H 1 + Q = 15812 kJ
De las tablas de vapor , dicho vapor sobrecalentado (15812 / 4.4 = 3593 kJ / kg) tendrá una temperatura de 828 K (555 ° C) . Dado que a esta entalpía el vapor tiene una densidad de 1,31 kg / m 3 , es obvio que se ha expandido en aproximadamente 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Por lo tanto, el volumen resultante es 2 m 3 x 1,67 = 3,34 m 3 y ∆V = 3,34 m 3 - 2 m 3 = 1,34 m 3 .
La parte p∆V de la entalpía, es decir, el trabajo realizado es:
W = p∆V = 500 000 Pa x 1,34 m 3 = 670 kJ [/ su_spoiler] [/ su_accordion]
Fluido Supercrítico – Agua Supercrítica. Un fluido supercrítico es un fluido monofásico que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos. Ingenieria termal
Fluido Supercrítico – Agua Supercrítica
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA
La clasificación del vapor en húmedo , seco y sobrecalentado tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase . La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.
A presión, que es más alta que la presión crítica, el agua está en un estado especial, que se conoce como estado fluido supercrítico . Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos. A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas.
Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos . A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas .A presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradual y continuamente de aquellas que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin un cambio de fase . No hay cambio en la fase del agua en el núcleo. Por otro lado, las propiedades físicas como la densidad, el calor específico, la entalpía específica experimentan cambios significativos, especialmente en el rango de temperatura de la región pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C y 392 ° C). Por ejemplo, en un reactor de agua supercrítico típico:
la densidad del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 777 kg / m 3 (para 25MPa y 280 ° C) y 90 kg / m 3 (para 25MPa y 500 ° C),
La entalpía específica del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 1230 kJ / kg (para 25MPa y 280 ° C) y 3165 kJ / kg (para 25MPa y 500 ° C)
Las siguientes figuras muestran el comportamiento de las propiedades termofísicas del agua cerca de los puntos críticos (22.1MPa) y pseudocríticos (25MPa). Cerca del punto crítico, estos cambios de propiedad son dramáticos. En la vecindad del punto pseudocrítico a 25 MPa, estos cambios de propiedad se vuelven menos significativos. A 25 MPa, los cambios de propiedad más significativos ocurren dentro de ± 25 ° C alrededor del punto pseudocrítico (389.4 ° C), esta región se conoce como la región pseudocrítica. Por conveniencia, se considera que las propiedades del fluido por debajo del punto pseudocrítico muestran un comportamiento similar al líquido y por encima del punto pseudocrítico, se considera que muestran un comportamiento similar al gas .
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Características de los SCWR. Los SCWR funcionan a presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian de forma gradual y continua. Ingenieria termal
Características de los SCWR
Los SCWR funcionan a presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradualmente y de forma continua de las que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin cambio de fase. . No hay cambio en la fase del agua en el núcleo. Por otro lado, las propiedades físicas como la densidad, el calor específico, la entalpía específica experimentan cambios significativos, especialmente en el rango de temperatura de la región pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C y 392 ° C). Por ejemplo,
la densidad del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 777 kg / m 3 (para 25MPa y 280 ° C) y 90 kg / m 3 (para 25MPa y 500 ° C),
La entalpía específica del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 1230 kJ / kg (para 25MPa y 280 ° C) y 3165 kJ / kg (para 25MPa y 500 ° C)
Desde el punto de vista de la neutrónica, la densidad del agua es el factor más importante. Hay un cambio significativo en el espectro de neutrones , que cambia con la coordenada axial del núcleo. Es causada por la mayor moderación en lugares con mayor densidad. Por esta razón, un cálculo acoplado de neutrónica – hidráulica térmica es inevitable para obtener la distribución del flujo de neutrones dentro del núcleo. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutronesy la potencia térmica del reactor .
Dado que el refrigerante (moderador) sufre un cambio significativo en la densidad, el SCWR también puede diseñarse como un reactor de neutrones rápido. Esta propiedad depende de cierto diseño del reactor.
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Proceso isobárico: calor y energía. En un proceso isobárico y el gas ideal, parte del calor agregado al sistema se utilizará para hacer el trabajo y parte del calor agregado aumentará la energía interna. Ingenieria termal
En esta ecuación, dW es igual a dW = pdV y se conoce como el trabajo límite .
En un proceso isobárico y el gas ideal, parte del calor agregado al sistema se utilizará para hacer el trabajo y parte del calor agregado aumentará la energía interna (aumentará la temperatura). Por lo tanto, es conveniente utilizar la entalpía en lugar de la energía interna. Dado que H = U + pV , entonces dH = dU + pdV + Vdp y sustituimos dU = dH – pdV – Vdp en la forma clásica de la ley:
En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo, Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:
Proceso isobárico (Vdp = 0):
dH = dQ → Q = H 2 – H 1
En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía equivale al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema.
Proceso isentrópico (dQ = 0):
dH = Vdp → W = H 2 – H 1
Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de potencia, es decir, en el ciclo Brayton y el ciclo Rankine.
Proceso isobárico – características principalesPara una masa fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura Kelvin. Fuente: grc.nasa.gov La política de derechos de autor de la NASA establece que “el material de la NASA no está protegido por derechos de autor a menos que se indique lo contrario”.
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Las presiones típicas en ingeniería y algunos ejemplos se resumen aquí. Para la mayoría de los problemas de ingeniería, pascal (Pa) es una unidad bastante pequeña, por lo que se utilizan kPa y MPa. Ingenieria termal
Presiones típicas en ingeniería – Ejemplos
El pascal (Pa) como unidad de medida de presión se usa ampliamente en todo el mundo y ha reemplazado en gran medida la unidad de libras por pulgada cuadrada (psi) , excepto en algunos países que todavía usan el sistema de medición Imperial, incluido Estados Unidos. Para la mayoría de los problemas de ingeniería, el pascal (Pa) es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa, el MPa o la barra. La siguiente lista resume algunos ejemplos:
Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de múltiples etapas . Estas turbinas extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.
La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 o K (0 o C) y es:
101325 Pa
1.01325 bar
14.696 psi
760 mmHg
760 torr
La sobrepresión de los neumáticos del automóvil es de aproximadamente 2.5 bar, 0.25 MPa o 36 psig.
Caldera de tubo de fuego de locomotora a vapor: 150–250 psig
Una etapa de alta presión de la turbina de vapor de condensación en la planta de energía nuclear funciona en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa (60 bar o 870 psig), t = 275.6 ° C, x = 1
Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (por ejemplo, 7MPa, 70 bar o 1015 psig), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas.
Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (por ejemplo, 16MPa, 160 bar o 2320 psig). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento de aproximadamente 25 ° C.
Inyección directa de combustible common rail: en los motores diesel, presenta un riel de combustible de alta presión (más de 1 000 bar o 100 MPa o 14500 psi).
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Ley del gas ideal (pV = nRT – Ecuación del gas ideal). Según la ley de los gases ideales, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen. Ingenieria termal
Modelo de gas ideal
El modelo de gas ideal se usa para predecir el comportamiento de los gases y es uno de los modelos de sustancias más útiles y comúnmente utilizados jamás desarrollados. Se descubrió que si confinamos muestras de 1 mol de varios gases en un volumen idéntico y mantenemos los gases a la misma temperatura , entonces sus presiones medidas son casi las mismas . Además, cuando confinamos gases a densidades más bajas, las diferencias tienden a desaparecer. Se descubrió que tales gases tienden a obedecer la siguiente relación, que se conoce como la ley de los gases ideales :
R es la constante de gas ideal, o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro. El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad. Cuandose dandos de las variables termodinámicas , p, v y T, se puede encontrar fácilmente la tercera.
El modelo de gas ideal se basa en los siguientes supuestos:
La presión, el volumen y la temperatura de un gas ideal obedecen la ley del gas ideal .
La energía interna específica es solo una función de la temperatura: u = u (T)
La masa molar de un gas ideal es idéntica a la masa molar de la sustancia real.
Los calores específicos – c p y c v – son independientes de la temperatura, lo que significa que son constantes.
Desde el punto de vista microscópico se basa en estos supuestos:
Las moléculas del gas son esferas pequeñas y duras .
Las únicas fuerzas entre las moléculas de gas son aquellas que determinan las colisiones puntuales .
Todas las colisiones son elásticas y todo movimiento es sin fricción .
La distancia promedio entre las moléculas es mucho mayor que el tamaño de las moléculas.
Las moléculas se mueven en direcciones aleatorias.
No hay otra fuerza atractiva o repulsiva entre estas moléculas.
¿Qué es un gas ideal?
Un gas ideal se define como aquel en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no hay fuerzas de atracción intermoleculares . Un gas ideal puede visualizarse como una colección de esferas perfectamente duras que chocan pero que, de lo contrario, no interactúan entre sí. En realidad, ningún gas real es como un gas ideal y, por lo tanto, ningún gas real sigue completamente la ley o ecuación del gas ideal . A temperaturas cercanas al punto de ebullición de los gases , aumenta la presión.provocará la condensación y una disminución drástica del volumen. A presiones muy altas, las fuerzas intermoleculares de un gas son significativas. Sin embargo, la mayoría de los gases están en acuerdo aproximado a presiones y temperaturas superiores a su punto de ebullición. Los ingenieros que trabajan con gases utilizan la ley de los gases ideales porque es simple de usar y se aproxima al comportamiento real de los gases.
Para cualquier gas cuya ecuación de estado esté dada exactamente por pV = nRT(o pv = RT ), la energía interna específicadepende solo de la temperatura. Esta regla fue encontrada originalmente en 1843 por un físico inglés James Prescott Joule experimentalmente para gases reales y se conoce como la segunda ley de Joule :
La energía interna de una masa fija de un gas ideal depende solo de su temperatura (no de presión o volumen).
La entalpía específica de un gas descrita por pV = nRT también depende solo de la temperatura. Tenga en cuenta que la entalpía es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema. Es igual a la energía interna del sistema más el producto de presión y volumen. Por lo tanto, en variables intensivas, la segunda ley de Joule viene dada por h = h (T) = u (T) + pv = u (T) + RT.
Estas tres ecuaciones constituyen el modelo de gas ideal, resumido de la siguiente manera:
pv = RT
u = u (T)
h = h (T) = u (T) + RT
Ley de gas ideal
Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se llama ecuación de estado . La ecuación de estado más simple y mejor conocida para las sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado del gas ideal . Émile Clapeyron lo declaró por primera vez en 1834 como una combinación de la ley empírica de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro. Esta ecuación predice el comportamiento pvT de un gas con bastante precisión para gases diluidos o de baja presión. En un gas ideal, las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad , e inversamente con el volumen .
pV = nRT
dónde:
p es la presión absoluta del gas
n es la cantidad de sustancia
T es la temperatura absoluta
V es el volumen
R es la constante de gas ideal o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,
En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.
El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad . Cuando se dan dos de las variables termodinámicas, p, v y T , se puede encontrar fácilmente la tercera . Muchas condiciones físicas de gases calculadas por los ingenieros se ajustan a la descripción anterior. Quizás el uso más común del comportamiento del gas estudiado por los ingenieros es el del proceso de compresión y el proceso de expansión utilizando aproximaciones de gas ideales.
Leyes de gas
En general, las leyes de gases son las primeras ecuaciones de estado , que correlacionan las densidades de gases y líquidos con las temperaturas y presiones. Las leyes de los gases se desarrollaron por completo a fines del siglo XVIII. Estas leyes o declaraciones precedieron a la ley del gas ideal , ya que individualmente estas leyes se consideran casos especiales de la ecuación del gas ideal, con una o más de las variables mantenidas constantes. Como han sido reemplazados casi por completo por la ecuación de gas ideal, no es habitual que los estudiantes aprendan estas leyes en detalle. La ecuación del gas ideal fue establecida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834 como una combinación de estas leyes:
Ejemplo: Ley de gas ideal: compresión de gas dentro de un presurizador
Un presurizador es un componente clave de los PWR.
La presión en el circuito primario de los PWR se mantiene mediante un presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pata caliente) y se llena parcialmente con agua que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada mediante un sistema eléctrico sumergido. calentadores . Durante el calentamiento de la planta, el presurizador se puede llenar con nitrógeno en lugar de vapor saturado .
Suponga que un presurizador contiene 12 m 3 de nitrógeno a 20 ° C y 15 bar . La temperatura se eleva a 35 ° C y el volumen se reduce a 8,5 m 3 . ¿Cuál es la presión final del gas dentro del presurizador? Suponga que el gas es ideal.
Solución:
Como el gas es ideal, podemos usar la ley del gas ideal para relacionar sus parámetros, tanto en el estado inicial i como en el estado final f . Por lo tanto:
p init V init = nRT init
y
p final V final = nRT final
Dividiendo la segunda ecuación por la primera ecuación y resolviendo para p f obtenemos:
p final = p init T final V init / T init V final
Tenga en cuenta que no podemos convertir las unidades de volumen y presión en unidades SI básicas, porque se cancelan entre sí. Por otro lado, tenemos que usar Kelvins en lugar de grados Celsius. Por lo tanto, T init = 293 K y T final = 308 K.
A continuación, la presión resultante en el estado final será:
p final= (15 bar) x (308 K) x (12 m 3 ) / (293 K) x (8.5 m 3 ) = 22 bar
Validez de la Ley del Gas Ideal
Dado que el gas ideal se define como uno en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no existen fuerzas de atracción intermoleculares, en la naturaleza no existe un gas realmente ideal. Por otro lado, todos los gases reales se acercan al estado ideal a bajas presiones (densidades) . A bajas presiones, las moléculas están lo suficientemente separadas como para que no interactúen entre sí.
En otras palabras, la Ley del Gas Ideal es precisa solo a presiones relativamente bajas (en relación con la presión crítica p cr ) y altas temperaturas (en relación con la temperatura crítica T cr ). En estos parámetros, el factor de compresibilidad, Z = pv / RT , es aproximadamente 1 . El factor de compresibilidad se usa para explicar la desviación de la situación ideal. Este factor de corrección depende de la presión y la temperatura de cada gas considerado.
Energía interna de un gas ideal
La energía interna es el total de toda la energía asociada con el movimiento de los átomos o moléculas en el sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración , traslación e interacciones entre las moléculas de una sustancia.
Gas monoatómico – Energía interna
Para un gas ideal monoatómico (como helio, neón o argón), la única contribución a la energía proviene de la energía cinética traslacional . La energía cinética traslacional promedio de un solo átomo depende solo de la temperatura del gas y está dada por la ecuación:
K promedio = 3/2 kT.
La energía interna de n moles de un gas monoatómico ideal (un átomo por molécula) es igual a la energía cinética promedio por molécula multiplicada por el número total de moléculas, N:
E int = 3/2 NkT = 3/2 nRT
donde n es el número de moles. Cada dirección (x, y y z) contribuye (1/2) nRTa la energía interna . Aquí es donde entra en juego la idea de equipartición de energía : cualquier otra contribución a la energía también debe contribuir (1/2) nRT . Como se puede ver, la energía interna de un gas ideal depende solo de la temperatura y la cantidad de moles de gas.
Molécula Diatómica – Energía Interna
Si las moléculas de gas contienen más de un átomo, hay tres direcciones de traslación , y la energía cinética rotacional también contribuye, pero solo para rotaciones alrededor de dos de los tres ejes perpendiculares. Las cinco contribuciones a la energía (cinco grados de libertad) dan:
Gas ideal diatómico:
E int = 5/2 NkT = 5/2 nRT
Esto es solo una aproximación y se aplica a temperaturas intermedias. A bajas temperaturas solo contribuye la energía cinética traslacional , y a temperaturas más altas dos vibraciones aportan dos contribuciones adicionales (energía cinética y potencial). La energía interna será mayor a una temperatura dada que para un gas monoatómico, pero seguirá siendo función solo de la temperatura para un gas ideal.
La energía interna de los gases reales también depende principalmente de la temperatura, pero de manera similar a la Ley del Gas Ideal , la energía interna de los gases reales también depende en cierta medida de la presión y el volumen . Todos los gases reales se aproximan al estado ideal a bajas presiones (densidades). A bajas presiones, las moléculas están lo suficientemente separadas como para que no interactúen entre sí. La energía interna de líquidos y sólidos es bastante complicada, ya que incluye la energía potencial eléctrica asociada con las fuerzas (o enlaces químicos ) entre átomos y moléculas.
Calor específico a volumen constante y presión constante
El calor específico es una propiedad relacionada con la energía interna que es muy importante en termodinámica. Las propiedades intensivas c v y c p se definen para sustancias compresibles puras y simples como derivadas parciales de la energía interna u (T, v) y entalpía h (T, p) , respectivamente:
donde los subíndices v y p denotan las variables mantenidas fijas durante la diferenciación. Las propiedades c vy c p se denominan calores específicos (o capacidades de calor ) porque en ciertas condiciones especiales relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía agregada por transferencia de calor. Sus unidades SI son J / kg K o J / mol K . Se definen dos calores específicos para gases, uno para volumen constante (c v ) y otro para presión constante (c p ) .
Según la primera ley de la termodinámica , para un proceso de volumen constante con un gas ideal monoatómico, el calor específico molar será:
C v = 3 / 2R = 12.5 J / mol K
porque
U = 3 / 2nRT
Se puede deducir que el calor específico molar a presión constante es:
C p = C v + R = 5 / 2R = 20.8 J / mol K
Este C p es mayor que el calor específico molar a volumen constante C v , porque ahora se debe suministrar energía no solo para elevar la temperatura del gas sino también para que el gas funcione porque en este caso el volumen cambia.
La relación de Mayer: fórmula de Mayer
Julius Robert Mayer, químico y físico alemán, dedujo una relación entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante para un gas ideal. Estudió el hecho de que la capacidad calorífica específica de un gas a presión constante (C p ) es ligeramente mayor que a volumen constante (C v ). Él razonó que este C p es mayor que el calor específico molar a volumen constante C v , porque ahora se debe suministrar energía no solo para elevar la temperatura del gas sino también para que el gas funcione porque en este caso el volumen cambia. De acuerdo con laLa relación de Mayer o la fórmula de Mayer, la diferencia entre estas dos capacidades de calor es igual a la constante de gas universal, por lo tanto, el calor específico molar a presión constante es igual:
C p = C v + R
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
Presión negativa del manómetro – Presión de vacío. Cuando la presión atmosférica local es mayor que la presión en el sistema, se utiliza el término presión de vacío. Ingenieria termal
¿Qué es la presión?
La presión es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia. La unidad estándar de presión en el sistema SI es el Newton por metro cuadrado o pascal (Pa) . Matemáticamente:
p = F / A
dónde
p es la presión
F es la fuerza normal
A es el área del límite
Pascal se define como la fuerza de 1N que se ejerce sobre el área de la unidad.
1 Pascal = 1 N / m 2
Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .
1 MPa 10 6 N / m 2
1 bar 10 5 N / m 2
1 kPa 10 3 N / m 2
En general, la presión o la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia es causada por las colisiones de las moléculas de la sustancia con los límites del sistema. Cuando las moléculas golpean las paredes, ejercen fuerzas que intentan empujar las paredes hacia afuera. Las fuerzas resultantes de todas estas colisiones causan la presión ejercida por un sistema en su entorno. La presión como variable intensivaes constante en un sistema cerrado. Realmente solo es relevante en sistemas líquidos o gaseosos.
[fragmento de xyz-ihs = “presión”]
Presión negativa del manómetro – Presión de vacío
Presión negativa del manómetro – Presión de vacío. Cuando la presión atmosférica local es mayor que la presión en el sistema, se utiliza el término presión de vacío . Un vacío perfecto correspondería a la presión cero absoluta. Ciertamente es posible tener una presión manométrica negativa, pero no es posible tener una presión absoluta negativa. Por ejemplo, una presión absoluta de 80 kPa puede describirse como una presión manométrica de −21 kPa (es decir, 21 kPa por debajo de una presión atmosférica de 101 kPa).
p vacío = p absoluto; cajero automático – p absoluto
Por ejemplo, las turbinas de vapor de condensación (en plantas de energía nuclear ) expulsan vapor a una presión muy por debajo de la atmosférica (por ejemplo, a 0.08 bar u 8 kPa o 1.16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.
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Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos . A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas .
Las siguientes figuras muestran el comportamiento de las propiedades termofísicas del agua cerca de los puntos críticos (22.1MPa) y pseudocríticos (25MPa). Cerca del punto crítico, estos cambios de propiedad son dramáticos. En la vecindad del punto pseudocrítico a 25 MPa, estos cambios de propiedad se vuelven menos significativos. A 25 MPa, los cambios de propiedad más significativos ocurren dentro de ± 25 ° C alrededor del punto pseudocrítico (389.4 ° C), esta región se conoce como la región pseudocrítica. Por conveniencia, se considera que las propiedades del fluido debajo del punto pseudocrítico muestran un comportamiento similar al líquido y por encima del punto pseudocrítico muestran un comportamiento similar al gas .
Propiedades típicas del refrigerante en SCWR.
