Escuela de Educacion Técnico Profesional Nº 285 “Domingo
Crespo”
Modalidad Técnico Profesional - Equipos e instalaciones
Electromecánicas
HOJA: 65 DE: 64
Apuntes de Termodinámica y Maquinas Térmicas
Termodinámica y Maquinas térmicas
Profesor:
Ing. Llobel Vincze Alexis
Unidad de Gases:
Objeto y característica de la Termodinámica.
La termodinámica en su significado original y restringido fue la
ciencia que trato las transformaciones de calor y viceversa. Más
tarde la teoría del fluido calórico fue desechada y el calor pasó a
considerarse como una forma de energía. Se incorporó a esta ciencia
el estudio de las transformaciones de las diversas formas de
energía entre sí.
Al desarrollarse la fundamentación teórica de la termodinámica
se puso en evidencia que su alcance era mucho más amplio que el
indicado anteriormente. Hoy sería más correcto definirla como el
conjunto de leyes generales que rigen el comportamiento de los
sistemas físicos macroscópicos. Este carácter general de la
termodinámica hace de ella una base indispensable para el estudio
profundo de cualquier rama de las ciencias naturales y en
particular de las diversas especialidades de la tecnología.
La termodinámica se puede aplicar con plena validez a los
fenómenos fisicoquímicos que ocurren en los seres vivientes y su
aplicación se extiende hasta sistemas que tengan por lo menos 100
moléculas.
Precisamente a su carácter general, la termodinámica, no es
suficiente para predecir la evolución de los sistemas físicos a los
cuales se aplica. Para predecir la evolución hay que hacer uso de
las leyes particulares que rigen el comportamiento del sistema en
cuestión. Pero las leyes físicas particulares deben ser compatibles
con los principios de la termodinámica. Esta exigencia permite
desechar de antemano muchas hipótesis sin verificarlas
experimentalmente con solo observar que contravienen dichos
principios. Cabe afirmar entonces que aun en caso de desconocer
totalmente el mecanismo de los fenómenos que ocurren en un sistema
físico, siempre sabemos algo sobre él, sabemos lo que podemos
deducir de los principios de la termodinámica.
La termodinámica se apoya sobre cuatro principios fundamentales
que se toman como axiomas para extraer consecuencias mediante
deducciones del tipo matemático. El primer principio expresa la
Conservación de la Energía, el segundo principio indica el Sentido
de las Evoluciones de los Sistemas Físicos; el tercer principio se
refiere al comportamiento límite de la Materia a Bajas Temperaturas
y el cuarto principio indica la forma que se acoplan entre si los
Procesos Irreversibles. Precisamente por ser principios que
expresan propiedades globales de cualquier sistema Físico, no
pueden deducirse directamente de una experiencia particular.
Cabe preguntarse el origen de la fe absoluta que la ciencia
moderna tiene en los principios de la termodinámica que autoriza la
extrapolación de los mismos a sistemas desconocidos sin admitir
prueba en contra. Esta confianza se apoya en dos pilares
fundamentales: por una parte no se ha observado un fenómeno que lo
contraiga y por otra estos principios pueden justificarse o
deducirse a partir de la estructura molecular de la Materia
admitiendo ciertas propiedades de las partículas elementales que
son comunes a todas las partículas conocidas. Es digno de señalar
que es el número enorme de procesos elementales que intervienen en
un fenómeno microscópico que las leyes particulares de cada proceso
lo que da origen a los principios de la termodinámica. Por eso
estos valen en circunstancias muy diversas y subsisten a través de
los profundos cambios que ha sufrido la Física Teórica.
La termodinámica es una ciencia fenomenológica que estudia al
fenómeno tal cual se presenta a los sentidos del observador sin
hacer hipótesis sobre su mecanismo y se aplica en la escala
microscópica que es una escala a nivel humano. La termodinámica no
tiene necesidad de hacer hipótesis sobre la constitución de la
materia y sus conclusiones son independientes de esas
hipótesis.
En este curso se estudiara fundamentalmente los principios
primero y segundo y los aplicaremos junto con el conocimiento de
las propiedades físicas y químicas de la materia para estudiar y
desarrollar métodos que permitan dar solución a los problemas
planteados en el contenido de la asignatura.
Sistemas físicos
La termodinámica es un rama de la ciencia física que estudia
leyes generales aplicables a todos los fenómenos. Estas leyes se
deducen de los principios generales de la termodinámica que se
admiten como universalmente ciertas. La única evidencia que tenemos
de la veracidad de estos principios se basa en el hecho de que
nunca se ha observado fenómenos alguno que contradigan las
consecuencias deducibles de tales principios.
Sistema ()
Para el estudio de los sistemas físicos se hace necesario
definir con precisión el objeto material que va ser estudiado en
consecuencia se definirá como sistema () la parte del Universo
Físico (U. F.) objeto de estudio y que esta definido por una
superficie () material o no, debiendo en este caso estar
especificada con respecto a un sistema de referencia material.
Para identificar puntos, líneas, superficies y volúmenes no
constituidos por elementos materiales hay que fijar su posición
respecto de un sistema de referencia constituido por elementos
materiales.
Medio Ambiente (M. A.)
La parte del universo físico (U. F.) que no es un sistema () y
que constituye el entorno del sistema () y que puede o no
interaccionar con él, él recibe el nombre de medio ambiente. En
símbolos: M. A. = 0 (intersección NULA entre sistema y medio
ambiente)
El Universo Físico (U. F.) engloba al y su M. A. es decir, es el
resultado de la asociación de ambas.
U. F. = U M. A. el universo físico es la unión del sistema y
medio ambiente
De tal forma y tal como indicada anteriormente la intersección
entre y M. A. es NULA.
M. A. = 0
Propiedades de un sistema físico
Para expresar las propiedades de un sistema físico el observador
hace uso de números que expresan las medidas directas de esas
propiedades, efectuadas por un procedimiento experimental universal
previamente definido o los resultados de operaciones matemáticas
efectuadas sobre esas medidas. Estos números se llaman magnitudes o
variables del sistema en estudio.
Se llama magnitud a todo ente físico para el cual está definida
la igualdad y la suma. Ejemplo: longitud, masa, tiempo, carga, etc.
Por lo anterior queda también definido el producto de una magnitud
por un número real y el cociente de dos magnitudes homogéneos que
es un número real.
Se dice que un sistema físico está en estado estacionario cuando
todas sus magnitudes o variables del sistema se mantienen
constantes durante un intervalo de tiempo.
Interacciones. Paredes
Cuando a un sistema no le esta permitido interaccionar con su
medio ambiente (M. A.) se dice que se trata de un aislado.
El U. F. intrínsecamente es un aislado.
Cuando a un sistema se le permite interaccionar con su medio
ambiente (M. A.) se dice que es NO ES aislado .
Las interacciones que pueden sufrir los pueden ser una de las
que se indican a continuación intercambio de:
Mecánicas: Trabajo
Térmicas: intercambio de energía.
Materia: intercambio de masa.
Paredes
El tipo de intercambio entre el y su MA esta caracterizado por
la naturaleza de la pared que limita al .
Tipo de paredes:
Rígida: no permite la interacción mecánica.
Flexible: si permite la interacción mecánica.
Adiabática: no permite la interacción térmica
Diatermica: si permite la interacción térmica.
Impermeable: no permite el intercambio de masa. Característica
de los cerrado.
Permeable: si permite el intercambio de masa. Característica de
los abiertos.
Clasificación de los sistemas teniendo en cuenta la naturaleza
de la pared que lo limita o encierra.
Sistema Abierto, caracterizable por una pared permeable.
Sistema Cerrado caracterizable por una pared impermeable.
Sistema Adiabático caracterizable por una pared adiabática.
Sistema Diatérmico caracterizable por una pared diatérmica.
Sistema que intercambia trabajo caracterizable por una pared
flexible.
Sistema que no intercambia trabajo caracterizable por una pared
rígida.
Sistema Abierto caracterizable por una pared Permeable.
Sistema Aislado caracterizable por una pared aislante
(impermeable ,rígida y adiabática.)
Existen sistemas caracterizables por paredes compuestas
resultadas de combinaciones de más de una pared.
Ejemplo: Adiabático y cerrado.
Flexible, abierto y diatérmico.
Medida de la temperatura:
Para medir la temperatura se usa unos dispositivos denominados
termómetros que no son más que sistemas que poseen alguna propiedad
variable por la temperatura la cual debe hacerlo de modo claro y
debe ser fácil de medir y de forma exacta, dicha propiedad se
denomina termométrica.
Empleando un termómetro podemos establecer una escala de
temperatura, haciendo corresponder a cada valor de la propiedad
termométrica, una cierta temperatura, obteniendo así las llamadas
escalas de temperaturas empíricas con todos los tipos de
termómetros. El inconveniente de todas ellas está es que no
coinciden entre sí, ya que termómetros del mismo tipo pero llenos
de líquidos diferentes entre sí y que concuerdan entre sí en los
puntos fijos, marcan temperaturas distintas cuando ponen en
contacto en un sistema en estado de equilibrio cuya temperatura no
sea precisamente la de estos puntos fijos.
Termómetro de gas ideal:
El termómetro de gas ideal es sumamente preciso y exacto por lo
que ha sido adoptado como termómetro patrón para calibrar otros
termómetros.
Está constituido por un bulbo que contiene un gas (por lo
general helio) a volumen constante que pone en contacto térmico con
el cuerpo al que se desea medir la temperatura.
Al aumentar o disminuir la temperatura el gas se expande o
comprime haciendo variar la columna de mercurio, o sea (variando la
presión del gas) la presión p, resultante de la presión atmosférica
y de la columna de mercurio es la variable termométrica que se
escoge para medir la temperatura.
Grados Celsius
El grado celsius1 (históricamente conocido
como centígrado;1 símbolo °C) es la
unidad termométrica cuyo 0 se ubica 0.01 grados por
debajo del punto triple del agua y su
intensidad calórica equivale a la del kelvin.
El grado Celsius pertenece al Sistema Internacional de
Unidades, con carácter de unidad accesoria, a diferencia
del kelvin, que es la unidad básica de temperatura en dicho
sistema que es igual que la Celsius.
Anders Celsius definió su escala en 1742 considerando las
temperaturas de ebullición y de congelación del agua, asignándoles
originalmente los valores 0 °C y 100 °C, respectivamente
(de manera que más caliente resultaba en una menor
temperatura); fueron Jean-Pierre Christin (1743)23
y Carlos Linneo (1745)4 quienes invirtieron ambos puntos
más tarde.Nota 1 El método propuesto, al igual que el utilizado en
1724 para el grado Fahrenheit y el Grado
Rømer de 1701, tenía la ventaja de basarse en las propiedades
físicas de los materiales. William Thomson (luego Lord
Kelvin) definió en 1848 su escala absoluta de
temperatura en términos del grado Celsius.
Grados Kelvin:
El kelvin (antes llamado grado Kelvin),1
simbolizado como K, es la unidad de temperatura de
la escala creada por William Thomson Kelvin, en el año 1848,
sobre la base del grado Celsius, estableciendo el punto cero
en el cero absoluto (−273,15 °C) y conservando la
misma dimensión. Kelvin, a sus 24 años introdujo la escala de
temperatura termodinámica, y la unidad fue nombrada en su
honor.
Es una de las unidades del Sistema Internacional de
Unidades y corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de la
temperatura del punto triple del agua.2 Se representa con la
letra K, y nunca "°K". Actualmente, su nombre no es el de
"grados kelvin", sino simplemente "kelvin".2
Coincidiendo el incremento en un grado Celsius con el de un
kelvin, su importancia radica en el 0 de la escala: la temperatura
de 0 K es denominada 'cero absoluto' y corresponde al punto en
el que las moléculas y átomos de un sistema
tienen la mínima energía térmica posible. Ningún
sistema macroscópico puede tener una temperatura
inferior. A la temperatura medida en kelvin se le llama
"temperatura absoluta", y es la escala de temperaturas que se usa
en ciencia, especialmente en trabajos
de física o química.
Presión:
La presión (símbolo p)12 es una magnitud
física que mide la proyección de la fuerza en
dirección perpendicular por unidad de superficie, y
sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza
resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de
Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se
denomina pascal (Pa) que es equivalente a
una fuerza total de un newton(N) actuando
uniformemente en un metro cuadrado (m²). En
el Sistema Inglés la presión se mide en libra por
pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es
equivalente a una fuerza total de una libra actuando en
una pulgada cuadrada.
UNIDADES:
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede
expresarse como ;
EQUIVALENCIAS
Atmosfera
cm. columna de Agua
mm. columna de Mercurio
Bar
Pa
Psi
0,068
0,0703
70,31
51,72
0,0689
7142
Atmosfera
1
1,033
1033
760
1,0131
1,01.105
0,9678
1
1000
735,6
0,98
98100
cm. columna de Agua
0,00096
0,0010
1
0,7355
0,001
100
mm. columna de Mercurio
0,0015
0,0013
0,0013
1
0,00133
133
Bar
0,987
1,02
1000
750
1
1.10-5
Pa
0,987.10-5
0,102.10-4
0,01
0,0075
1.10-5
1
Las presiones que se encuentran por sobre la presión atm.
absoluta se denominan presiones efectivas o manométricas.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA:
Es la presión ejercida por la atmosfera terrestre. Se mide
mediante un barómetro. A nivel del mar es aproximadamente 760 mm de
Hg absolutos y ese valor define la presión ejercida por la
atmosfera estándar.
PRESIÓN RELATIVA:
Es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre
la presión absoluta y la atmosfera. Al aumentar o disminuir la
presión atmosférica, disminuye o aumenta la presión leída, si bien
ello es despreciable al medir presiones elevadas.
EL VACIO:
Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica
existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por
debajo de la atmosférica. Las variaciones de la presión atmosférica
influyen considerablemente en las lecturas de vacío.
PRESIÓN ABSOLUTA:
Es la presión medida con relación al cero absoluto de
presión.
MEDICIONES DE PRESIÓN
Según la presión que se desea medir se utilizan distintos
instrumentos.
Mediciones de presión:
Manómetro mide presión manométrica o efectiva.
Manómetro de columna de agua mide presión diferencial.
Barómetro mide presión atmosférica absoluta.
Vacuómetro mide presión de vacío.
Mano vacuómetro miden presión de vacío y manométrica.
MANÓMETROS:
Tipo Bourdon
Consiste en una vaina hueca que tiene una sección elíptica; en
un extremo tiene soldada un niple roscado y en el otro está
cerrado.
Por el niple ingresa el fluido, como la vaina es elástica tiende
a enderezarse ocasionando un movimiento, que transmitido a un
mecanismo de palanca mueve una cremallera produciendo el movimiento
de la aguja. Aunque este movimiento no es lineal, los mecanismos de
indicación y transmisión lo compensan para dar la lectura
correcta.
Cuando los movimientos del bourdon simple no son suficientes, se
desarrollan elementos en espiral y helicoidales, que con la misma
presión producen un mayor movimiento.
El material con el que se construyen depende de lo que se va a
medir.
Algunos materiales con los que se fabrican son: acero, acero
inoxidable, latón, bronce, etc.
Algunos componentes que pueden medir con: CO, CO2, O2, N, R12,
Cl, aire, agua, vapor, amoniaco, etc. Los que están construidos con
latón y bronce no pueden medir amoniaco, los de acero inoxidable
pueden medir fluidos corrosivos.
Especificaciones para describir un manómetro.
Tipo de fluido.
Rango.
Aproximación.
Unidades.
Tipo de acople.
Tipo de rosca.
Goma de acople (para que quede en posición correcta).
Tamaño (diámetro).
Tipo de caja (carcasa).
Estanco o no estanco
Con aguja de máximo.
Con glicerina (para eliminar pulsaciones en la medición).
Ventajas:
Sencillo y económico
Lectura fácil y directa
Fácil conexión.
No requiere equipo auxiliar
Desventajas:
Fluido en contacto
No señal
Frágil y de vida limitada
No siempre intercambiable.
La ley de Gay-Lussac
La ley de Gay-Lussac establece que la presión de un
volumen fijo de un gas, es directamente proporcional a su
temperatura.
Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión
moderada se mantiene constante, el cociente
entre presión y temperatura (kelvin) permanece
constante:
o también:
donde:
P es la presión
T es la temperatura absoluta (es decir, medida
en kelvin)
k3 una constante de proporcionalidad
La ley Boyle y Mariotte:
La ley formulada por el físico y químico
irlandés Robert Boyle(1662) y el físico y botánico
francés Edme Mariotte (1676), es una de las leyes de
los gases que relaciona el volumen y la
presión de una cierta cantidad de gas mantenida
a temperatura constante.
La presión ejercida por una fuerza física es inversamente
proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su
temperatura se mantenga constante.
O en términos más sencillos:
A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es
inversamente proporcional a la presión que este ejerce.
Matemáticamente se puede expresar así:
donde es constante si la temperatura y la masa del
gas permanecen constantes.
Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la
presión disminuye el volumen aumenta. No es necesario conocer el
valor exacto de la constante para poder hacer uso de la
ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo
constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la
relación:
Ecuaciones de estado:
Las ecuaciones de estados son funciones que vinculan los
parámetros que pueden utilizarse para definir un estado particular
de un sistema y que dan establecidas a partir de la experiencia y
de las teorías sobre la constitución de la materia. En cada estado
de equilibrio, un sistema cerrado y homogéneo posee ciertos valores
de sus variables v, p y T, que deben ser constantes en todo el
sistema llamados variables de estado. Sin embargo el estado de este
sistema viene dado por solo dos de estas tres coordenadas, ya que
la tercera es, en cada estado de equilibrio, función de las otras
dos. Existe pues una función F (p, T, v) = 0 que recibe el nombre
de ecuación de estado térmico de la fase la cual permite
representar geométricamente los estados de equilibrio de una fase
como puntos de una superficie en el espacio, tomando un sistema de
tres ejes coordenados p, T y V.
Ecuación de estado los gases perfectos:
Combinando las ecuaciones de Boyle – Mariotte y la de Gay –
Lussac se obtiene una ecuación llamada ecuación de estado de los
gases perfectos que relaciona los tres parámetros p, V y T, de un
estado cualquiera de un gas perfecto, resulta.
V = en la que C ser una constante de proporcionalidad
La ecuación se acostumbra a indicar en la forma:
pV = CT o pV= mRT
En la que m representa la masa gaseosa considerada y r es la
llamada constante particular del gas o pV = R´ T
Alternativamente la ecuación también puede escribirse: pV = n R
T ecuación de estado
Donde n es el número de moles y R es una constante que se
denomina universal n =
Entonces R = donde M es el peso molecular
El modelo del gas ideal asume que el volumen de la molécula es
cero y las partículas no interactúan entre sí. La mayor parte de
los gases reales se acercan a esta constante dentro de
dos cifras significativas, en condiciones de presión y temperatura
suficientemente alejadas del punto
de licuefacción o sublimación. Las ecuaciones de
estado de gases reales son, en muchos casos, correcciones de la
anterior.
Cero absolutos:
El cero absoluto es la temperatura teórica
más baja posible. A esta temperatura el nivel de energía
interna del sistema es el más bajo posible, por lo que las
partículas, según la mecánica clásica, carecen
de movimiento;1 no obstante, según la mecánica
cuántica, el cero absoluto debe tener una energía residual, llamada
energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de
indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto sirve de punto de
partida tanto para la escala de Kelvin como para la
escala de Rankine.2
Así, 0 K (o lo que es lo mismo, 0 R)
corresponden, aproximadamente, a la temperatura de
−273,15 °C o −459,67 °F.3
Según la tercera ley de la termodinámica, el cero absoluto
es un límite inalcanzable. La mayor cámara frigorífica
actual sólo alcanza los -273,144 °C. La razón de ello es que
las moléculas de la cámara, al llegar a esa temperatura, no tienen
energía suficiente para hacer que ésta descienda aún más.
Hasta ahora la temperatura más cercana al cero absoluto ha sido
obtenida en laboratorio por científicos del MIT en 2003.
Se obtuvo enfriando un gas en un campo magnético hasta medio
nanokelvin (5·10−10 K) por encima del cero absoluto.
Fenómenos del cero absoluto
Al aproximarse al cero absoluto se pueden producir en algunos
materiales ciertos fenómenos, como el condensado de
Bose-Einstein, o algunos superfluidos como el helio
II.
Los estados de agregación de la materia son 6
Solido, liquido, gaseoso, plasmático, condensado de
bose-Einstein o estado fundamental y condensado fermionico
En física, el condensado de Bose-Einstein es
el estado de agregación de la materia que se da en
ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero
absoluto.1 La propiedad que lo caracteriza es que una
cantidad macroscópica de las partículas del material
pasan al nivel de mínima energía, denominado estado
fundamental.
El condensado fermiónico es un estado de
agregación de la materia en el que la materia
adquiere superfluidez.
En 1924, Albert Einstein y
el físico indio Satyendranath Bose predijeron
la existencia de un fenómeno denominado condensado de
Bose-Einstein. En dicho estado, los bosones se agrupan en
el mismo estado cuántico de energía. Este fenómeno se
confirmó en 1995, y desde entonces se han investigado muchas
de sus propiedades.
A temperaturas muy próximas al cero absoluto se pueden
formar superfluidos, o incluso frágiles moléculas que no
existen a mayores temperaturas para su estudio, entre otros
fenómenos.
Primer Principio de la termodinámica:
Energía, Concepto y consecuencias:
En mecánica se define energía a la capacidad para producir un
trabajo. Si se considera las diversas formas de energía dicha
definición no las incluye a todas. Por eso en termodinámica
denominamos energía a la capacidad de producir cambia en los
sistemas.
Interacciones de trabajo adiabático
Un sistema mecánico puro es un sistema termodinámico al que no
le está permitido interaccionar térmicamente, es decir, está
limitado por una pared adiabática.
El trabajo mecánico es la acción de una fuerza sobre el límite
de un sistema cuando el sistema se halla en movimiento, el valor
del trabajo es igual al producto de las fuerzas por el
desplazamiento de su punto de aplicación en la dirección de la
fuerza.
Trabajo es, por lo tanto un efecto reciproco entre el sistema y
el medio ambiente
entonces W12
El trabajo cedido por el sistema es positivo y el trabajo
entregado es negativo.
En el caso del sistema considerado de la figura, el trabajo
realizado por el gas sobre el medio ambiente resulta: = Fg. dz = Pg
dVg
Al no tener un función que relacione Fg con z, puedo determinar
el trabajo, midiendo los efectos sobre el medio ambiente.
Haciendo un balance de fuerzas aplicadas al pistón, resulta:
entonces despejando Fg y reemplazando en la anterior
Entonces
Entonces
Resulta que el trabajo realizado por el gas comprende el trabajo
ejercido sobre la atmosfera más el necesario para vencer las
fuerzas de fricción y de cambio de energía potencial y cinética del
pistón.
Si se considera al pistón como sistema como donde Fp es la
fuerza superficial neta del pistón aplicada al medio ambiente.
Basándose en la tercera ley de Newton esta fuerza es igual y de
signo contrario a la que el medio ambiente aplica al pistón, es
decir:
Entonces
Finalmente si se elige la atmosfera como sistema, el trabajo
hecho por la atmosfera sobre su entorno será:
Y definiendo a Ff. dz como el trabajo efectuado por la pared
W(pared) resulta
“Lo cual demuestra que eligiendo como sistema cualquier parte
del universo físico estudiado, el trabajo realizado por el sistema
sobre el medio ambiente, es igual y opuesto al trabajo hecho por el
medio ambiente sobre el sistema”
(Z2 – Z1) ( c22 - c12)/2 se desprecian las fuerzas de
fricción
El trabajo tiene la propiedad de que un tipo de trabajo puede
ser convertido en otro forma de trabajo en su cantidad equivalente.
En principio pero no en la práctica por la aparición de fuerzas de
fricción.
Sean dos sistemas cerrados que sufren una interacción a través
de su superficie limitante común. Se llama interacción de trabajo
adiabático si el hecho producido en cada sistema puede ser repetido
en tal forma que el efecto resultante exterior a su sistema puede
ser duplicada mediante el elevamiento o caída de un peso estándar
en un campo gravitacional estándar y el efecto único y externo al
otro sistema igualmente se pueda duplicar mediante la caída o
elevamiento de un peso estándar de igual magnitud.
En un sistema cerrado adiabático (que no hay
intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si
estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial a
otro estado final , el trabajo realizado no depende ni del
tipo de trabajo ni del proceso seguido.
Más formalmente, este principio se descompone en dos
partes;
El «principio de la accesibilidad adiabática»
El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder
un sistema termodinámico cerrado
es, adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.
y un «principio de conservación de la energía»:
El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados
de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos
estados conectados.
Este enunciado supone formalmente definido el concepto
de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas
termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes
(interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica).
En general, el trabajo es una magnitud física que no es
una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso
seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el
contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el
trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados
inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la
variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas,
definida comoenergía interna. Se define entonces la energía
interna, , como una variable de estado cuya variación en un
proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con
su entorno:
(W del proceso adiabático)
Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al
estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de
la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo
intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La
diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de
interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía
térmica intercambiada Q (calor) como:
Siendo U la energía interna, Q el calor
y W el trabajo. Por convenio, Q es positivo si va
del ambiente al sistema, o negativo en caso contrario y W, es
positivo si es realizado porel sistema y negativo si es
realizado sobre el sistema. Esta definición suele
identificarse con la ley de la conservación de la
energía y, a su vez, identifica el calor como una
transferencia de energía. Es por ello que la ley de la
conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por
simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la
termodinámica:
La variación de energía de un sistema
termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la
cantidad de calor y la cantidad
de trabajo intercambiados por el sistema con sus
alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para
cualquier sistema cerrado:
donde:
es la variación de energía del sistema,
es el calor intercambiado por el sistema a través de unas
paredes bien definidas, y
es el trabajo intercambiado por el sistema a sus
alrededores.
Unidad de calor:
Ley fundamental de la calorimetría:
Un sistema aislado compuesto por N cuerpos, a diferentes
temperaturas, evoluciona espontáneamente hacia un estado de
equilibrio en el que todos los cuerpos tienen la misma temperatura.
Los calores intercambiados sumados con sus signos dan cero
Σ Qi = 0
•Calorímetro. Es un recipiente térmicamente aislado para evitar
la fuga del calor. Se utiliza para determinar el calor específico
de un solidó o liquido cualquiera Por el Principio
de Regnault Sean:
v Q1, el calor cedido por un objeto Q2 el calor absorbido
por otro objeto Q3 el calor absorbido por el calorímetro Se cumple:
Q1 = Q2 + Q3 .
Calor latente:
El calor latente es la energía requerida por
una cantidad de sustancia para cambiar de fase,
de sólido a líquido (calor de fusión) o de
líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta
que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de
fase y no para un aumento de la temperatura.
Desde antiguo se usaba la expresión calor latente para
referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente,
en latín, quiere decir escondido, y se llamaba así
porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras
se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se
quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía
que el calor era una sustancia fluida denominada calórica. Por
el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia
de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible.
Transferencia de calor:
Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la
fuente al recibidor:
Conducción
Convección
Radiación
CONDUCCION
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la
conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de
forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el
extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el
mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se
cree que se debe, en parte, al movimiento de los
electrones libres que transportan energía cuando existe una
diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué
los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos
conductores del calor. En 1822, el matemático francés
Joseph Fourier dio una
expresión matemática precisa que hoy se conoce
como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley
afirma que la velocidad de conducción de calor a través
de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al
gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo
cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica
del material. Los materiales como el oro, la plata o
el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y
conducen bien el calor, mientras que materiales como
el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e
incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se
conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario
conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido
en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para
averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy
complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en
este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda
de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales,
estos problemas pueden resolverse en la actualidad
incluso para cuerpos de geometría complicada.
CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un
líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un
movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una
parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El
movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta
un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad
de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra
en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende.
Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad
de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La
convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de
presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo
a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola
llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el
calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola.
Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el
agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el
fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El
líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que
el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por
radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma
similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de
aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio,
el aire situado junto al panel exterior —que está más frío—
desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más
caliente— asciende, lo que produce un movimiento de
circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no
depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de
convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el
aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador.
Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a
bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y
los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que
la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la
convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente
y el vapor en las calderas de convección natural, y del
tiro de las chimeneas. La convección también determina el
movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie
terrestre, la acción de los vientos, la formación de
nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde
el interior del Sol hasta su superficie.
RADIACIÓN
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la
conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor
no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas
por un vacío. La radiación es un término que se aplica
genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados
con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la
radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la
única explicación general satisfactoria de la radiación
electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein
sugirió que la radiación presenta a veces
un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico,
la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados
fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la
energía radiante se había postulado antes de la aparición del
artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó
la teoría cuántica y el formalismo matemático de
la mecánica estadística para derivar una ley
fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley,
llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad
de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda
determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y
cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un
cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente
a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad
algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía
radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y
corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de
superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede
demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una
superficie es proporcional a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina
constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos,
Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884
respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder
emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las
sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura
superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es
la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas
las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito
de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se
ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad
de calor mayor de la que emite.
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación
incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben
más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las
superficies brillantes reflejan más energía radiante que las
superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha
radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha
radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los
utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena
absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que
maximizan la transferencia total de calor al contenido de la
cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el
vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación.
Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción,
reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de
onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite
grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de
onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta
longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es
que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima
de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de
desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán
Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación,
y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima
energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es
igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto
con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas,
explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante
del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a
través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la
energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero,
predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes
al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio.
Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero
sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se
produce una considerable transferencia de calor neta hacia su
interior.
Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o
disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la
transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como
la fusión del hielo o la ebullición del agua. En
ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse
de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas
espaciales que regresan a laatmósfera de la Tierra a
velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se
funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para
impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La
mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se
emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura
de la cápsula.
Efecto Invernadero:
El efecto invernadero es un proceso en el que
la radiación térmica emitida por la superficie planetaria
es absorbida por los gases de efecto invernadero (GEI)
atmosféricos y es reirradiada en todas las direcciones. Ya que
parte de esta reirradiación es devuelta hacia la superficie y la
atmósfera inferior, resulta en un incremento de la temperatura
superficial media respecto a lo que habría en ausencia de los
GEI.1 2
La radiación solar en frecuencias de la luz
visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para
calentar la superficie planetaria y luego esta emite esta energía
en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja. Esta
última es absorbida por los GEI, los que a su vez reirradian mucha
de esta energía a la superficie y atmósfera inferior. Este
mecanismo recibe su nombre debido a su analogía al efecto de la
radiación solar que pasa a través de un vidrio y calienta un
invernadero, pero la manera en que atrapa calor es fundamentalmente
diferente a como funciona uninvernadero al reducir las
corrientes de aire, aislando el aire caliente dentro de la
habitación y con ello no se pierde el calor
por convección.
Ciclos de motores de combustión internaCiclo Otto
Este ciclo se lo conoce como ciclo de cuatro tiempos. En una
primera etapa (1-2) se produce la admisión de la mezcla gaseosa de
aire combustible, teóricamente durante este proceso la presión en
el cilindro es constante.
En la segunda etapa, están cerradas las dos válvulas y el pistón
al desplazarse produce la compresión de la mezcla (2-3). Terminada
la segunda etapa, teóricamente se producirá la ignición del
combustible y dado que el proceso es muy rápido, podemos suponer lo
instantáneo, es decir que la combustión tiene lugar a volumen
constante aumentando la presión (3-4). Durante la tercera etapa se
produce la expansión de los gases producidos en la combustión
(4-5). Teóricamente al final de esta carrera se abre la válvula de
escape lo que provoca la caída brusca de presión (5-6), luego en la
cuarta carrera se produce el barrido de los gases desde el interior
del cilindro (6-7). Es un diagrama del tipo indicado.
Si suponemos que, tanto la compresión como la combustión y la
expansión son procesos adiabáticos podemos encontrar un ciclo
termodinámico equivalente a lo que ocurre en el interior del
cilindro.
Admitido que el proceso es adiabático la combustión (3-4)
Donde se desprecia la energía aportada por la chispa y el
desplazamiento del pistón en la combustión.
Si se hubiera realizado la combustión a volumen y temperatura
constante, entonces el sistema debería haber transferido calor al
exterior, ya que la combustión en un proceso químico exotérmico
→Q1=Upc4-Upc3 lo que significa que llegaríamos a 4 si se realizara
combustión a volumen en temperatura constante y luego se le
transfiriera a los productos de la combustión desde el exterior la
cantidad de calor Q1.
Si aplicamos ahora el primer principio para 5-2 supuesto
adiabático
.
Si suponemos realizada la combustión en 2
. Lo que significa que si describimos un ciclo termodinámico
formado por dos adiabáticas y dos transformaciones a volumen
constante, se obtendrá el mismo trabajo que con los procesos que
ocurrieron en el cilindro de motor.
Rendimiento
Está dado por:
Relación de compresión
En (2-3) y (4-5) por ser adiabáticas y cuasi estáticas
Lo que nos indica que el rendimiento del ciclo Otto depende de
la relación de compresión y será mayor al ser esta mayor.
Prácticamente esta relación de compresión tiene un límite que
viene dado por el combustible y es aquel en que éste detona.
No se tiene en cuenta la admisión y el escape
Ciclo Diesel
Este ciclo al igual que el Otto es de cuatro tiempos y se le
hacen las mismas idealizaciones. En la primera carrera se aspira el
aire al interior del cilindro (1-2), en la segunda se comprime el
aire (2-3). Al comienzo de la tercera carrera, se inyecta el
combustible que en contacto con el aire caliente se inflama.
La combustión dura más tiempo que en el motor de Nafta y se
puede suponer que se realiza el proceso a p=cte (3-4).
Terminada la inyección y combustión, en el resto de la tercera
carrera se expande los productos de la combustión (4-5).
Terminado esto se abre la válvula de escape y se cae bruscamente
la presión en el interior del cilindro (5-6) y luego en la cuarta
carrera se produce el barrido de los gases de la combustión
(6-7).
Al igual que antes, si se suponen adiabáticos los procesos de
compresión del aire, combustión y expansión de los productos de la
combustión, es ciclo termodinámico equivalente será el constituido
por dos adiabáticas, un calentamiento a p=cte y un enfriamiento a
v=cte denominado ciclo diesel.
Relación de compresión
Relación de inyección
Rendimiento
;
Donde
Puede observarse que para igual relación de compresión que un
Otto, el rendimiento del diesel es menor pero estos motores admiten
una mayor relación de compresión ya que el combustible así lo
permite.
Comparando las rc normales de cada ciclo (para Otto entre 8-10 y
para diesel 17-20), tiene mayor rendimiento térmico el ciclo
diesel, pero cuando las relaciones de compresión son iguales, el
ciclo Otto tiene mayor rendimiento.
Al aumentar ri disminuye el rendimiento del Diesel.
Además, en realidad la mayoría de los motores diesel trabajan en
un ciclo intermedio entre el Otto y el diesel avanzando la
inyección para lograr que parte de la combustión pueda suponerse a
v=cte y parte a p=cte llamado así es ciclo semi-diesel.
Generadores de vapor.
Definiciones.
Generador de vapor (GV): es un intercambiador de calor en el
cual, los productos de combustión (los quemados) ceden su energía
térmica al agua contenida dentro del mismo.
Este intercambio de calor corresponde a la siguiente
expresión:
Q= calor intercambiado en la unidad de tiempo.
A= superficie de intercambio o de calefacción.
U= coeficiente total de energía térmica.
∆Tm= diferencia media logarítmica de temperatura entre los gases
y el agua.
Se constituye de la caldera y alguno o todos los siguientes
intercambiadores:
Caldera: recipiente cerrado dentro del cual se genera vapor a
una presión mayor a la atmosférica. Es el elemento del generador de
vapor donde se produce el cambio de estado del agua a expensas del
calor suministrado.
Se clasifican en humotubulares (en las cuales los gases fluyen
por el interior de tubos sumergidos en el agua) y acuotubulares (en
las que el agua y vapor fluyen por el interior de los tubos, y cuya
superficie exterior está en contacto con los gases calientes).
La constituyen los tubos hervidores, el cuerpo cilíndrico y
elementos que les vinculan.
Hogar: recinto destinado a la realización de la combustión.
Superficie de calefacción: es la superficie de la unidad del
generador de vapor destinada a la transmisión de calor, expuesta
por un lado al gas o a los refractarios que deben enfriarse y por
el otro, al liquido que se calienta. La superficie es medida del
lado que recibe calor.
Sobrecalentador: dispositivo que se emplea para elevar la
temperatura del vapor saturado proveniente de la caldera sin
aumentar su presión.
Recalentador: dispositivo destinado a elevar la temperatura del
vapor que retornan al generador de vapor luego de haber sido
empleado en el receptor de vapor.
Economizador: dispositivo recuperador que se emplea para elevar
la temperatura del agua de alimentación, aprovechando el calor de
los gases, antes de su salida por la chimenea.
Precalentador de aire: dispositivo recuperador que se emplea
para elevar la temperatura del aire de combustión, aprovechando el
calor de los gases antes de su salida por la chimenea.
Válvula de seguridad: válvula que entra en funcionamiento cuando
las condiciones de presión de la instalación exceden los límites
prefijados (presión de diseño). Es de rápida apertura.
Válvula de alivio: válvulas automáticas que actúan por presión
directa, diseñada para una apertura precisa pero no instantánea,
sino progresiva.
Presión de diseño del generador de vapor: máxima presión de
trabajo para la cual ha sido calculado el generador de vapor.
Presión de trabajo: presión a la cual opera el generador de
vapor (< presión de diseño).
Vapor normal: vapor obtenido partiendo de líquido a 0ºC
vaporizado a 100ºC. Su contenido energético es de 640 kcal/kg.
Sirve como unidad de comparación.
Carga térmica del hogar: cociente entre la cantidad de calor que
se puede desarrollar por hora, empleando el poder calorífico
superior (Hs) y el volumen del hogar.
Rendimiento de la caldera: relación entre la cantidad de calor
absorbido por el vapor y la cantidad de energía liberada por la
combustión.
Generador de vapor HUMOTUBULAR.
Si bien hay varios diseños, el más común es del tipo marina
escocesa, con producciones de vapor de hasta 22,5 tn vapor/h, por
encima de esta capacidad se utilizan calderas acuotubulares.
Frecuentemente son de tres pasos, donde la combustión se
desarrolla y completa dentro del hogar, constituido por un cuerpo
cilíndrico corrugado para permitir las dilataciones y contracciones
longitudinales que se extiende y vincula al fondo plano anterior
con la cámara de inversión posterior (1º paso). Un haz tubular
vincula la cámara de inversión posterior con el fondo plano
anterior (2º paso). Finalmente, otro haz de tubos vincula al
colector de los quemados situado sobre el fondo anterior, con el
colector de quemados sobre el fondo posterior (3º paso), desde éste
los quemados se dirigen a la chimenea.
Los fondos planos y el cuerpo cilíndrico se vinculan mediante
soldadura eléctrica. El haz tubular que vincula la cámara de
inversión con el fondo anterior se une mediante mandrilado y
soldadura. El segundo haz tubular, como opera a menor temperatura,
solo por mandrilado.
El colector de quemados lleva una tapa abulonada que puede
moverse para a limpieza. El cuerpo cilíndrico y sus extremos se
aíslan con capa de 10 a 15 cm de lana mineral y lleva como
protección un forro de chapa. Sobre los costados del cuerpo
cilíndrico y en su parte superior se disponen de agujeros de hombre
(cierran de adentro hacia afuera, de manera de que la presión
interior colabore en el cierre), para efectuar inspecciones y
limpieza. El generador de vapor apoya directamente sobre el piso,
no requiere ser anclado.
El nivel de agua dentro del cuerpo cilíndrico debe siempre
sobrepasar toda la superficie de calefacción entre 100 y 200mm, de
esta manera ocupa 4/5 del diámetro la cámara de líquido, y 1/5 la
cámara de vapor. De esta manera se genera vapor con baja humedad,
pero no cumple funciones de acumulador de vapor, por lo que se debe
prever los picos de consumo con esta instalación.
Estos generadores de vapor entregan vapor con titulo de
0,95-0,98 dependiendo del consumo (mayor consumo, menor título).
Cuando se desea vapor sobrecalentado, se agregan serpentines en los
colectores de quemados anteriores (sobrecalentamiento bajo) o en la
cámara de inversión (mayor sobrecalentamiento). Normalmente el
sobrecalentamiento no supera los 350ºC.
Los generadores de vapor humotubulares se construyen hasta 20-25
bar y 500m3 de superficie de calefacción (20tn vapor/h).
Debido al reducido volumen comprendido entre su máximo y mínimo
nivel, el suministro debe ser automático, dicho control se realiza
mediante un magnetrol que actúa sobre la bomba de alimentación de
agua y el consumo de combustible. Otro escalón de seguridad es un
electrodo sumergido en el líquido que abre el circuito, parando la
unidad si el nivel es demasiado bajo.
El agua suministrada por la bomba ingresa en forma de lluvia por
la cámara de vapor, y alejado del cuerpo cilíndrico para evitar el
shock térmico.
El calor cedido por el combustible en el hogar, produce una
corriente convectiva del líquido por lo que la distribución y
distanciamiento de los tubos debe favorecer la convección
natural.
Todo generador de vapor debe disponer de dos tubos de nivel que
permitan visualizar el nivel del líquido en el interior del cuerpo
cilíndrico. La reglamentación exige también una o dos válvulas de
seguridad (según tamaña de caldera) conectadas a la cámara de
vapor, del tipo resorte, capaz cada una de descargar todo el vapor
generado a máxima capacidad, sin que la presión sobrepase la de
diseño. La presión interior es medida mediante un manómetro
conectado a la cámara de vapor.
Periódicamente deben controlarse que todos los elementos del
generador de vapor funcionen correctamente.
Estos generadores de vapor son aptos para la combustión de
combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Generalmente las
unidades más pequeñas queman leña en piezas de 2kg aproximadamente,
las cuales son arrojadas dentro del hogar y las cenizas caen por
unos tubos a un cenicero colocado por debajo. El aire para la
combustión es aportado por un ventilador colocado aguas arriba de
la chimenea (tiro inducido).
Como la madera genera gran cantidad de volátiles, cuando la
producción es alta, es necesario dotar al generador de vapor de un
antehogar rodeado completamente de tubos con agua en su interior,
donde se realice completamente la combustión (combustión
semi-pila)
Los combustibles líquidos más utilizados son el gas-oil y el
fuel-oil. La combustión del fuel-oil requiere un precalentamiento
del mismo y de una presión mecánica.
El gas natural es el más utilizado como combustible, ya que
tiene bajo costo, quema más fácil y mantiene limpias las
superficies de calefacción.
La producción de vapor puede ser regulada automáticamente si se
lo desea mediante un motor eléctrico y un reductor de velocidad,
que comandan una válvula que regula la cantidad de combustible y
aire, tomando como referencia la presión de generación.
Pasos para el encendido de una caldera:
· Barrido de los gases mediante ventiladores (evita
explosiones).
· Encendido del piloto mediante chispa.
· Suministro de combustible al quemador.
· Salida de servicio del piloto.
· Control de la combustión mediante fotocélula.
Ventajas:
· Larga vida útil y menor costo de mantenimiento.
· Exige menor tratamientos de agua (menor costo operacional)
· Inercia térmica de control sencilla y buenas respuestas a
variaciones de demanda.
· Menor inversión inicial.
Se utilizan para temperaturas no mayores a 230ºC y presión
máxima 28 bar.
En la medida que la temperatura demandada al vehículo de calor
no supere los 230 ºC , el vapor requerido puede ser suministrado
por un GV. Humotubular, estando comprendido el costo de esta unidad
dentro de valores económicamente convenientes. La temperatura de
230 ºC del vapor de agua saturado corresponde con una presión de
generación de 28 bar. El diseño del GV. Humotubular tiene como
inconveniente que la presión del vapor se ejerce sobre un cuerpo
cilíndrico de dimensiones significativas. El espesor de la pared de
ese cuerpo cilíndrico, básicamente responde a la expresión: e = p .
D / 2 S K
donde : p ; presión interior D; diámetro interior del cuerpo
cilíndrico S; tensión admisible K; factor que considera resistencia
de soldadura + corrosión
De manera que el espesor de la pared del cuerpo cilíndrico crece
en función del producto p.D. La presión crece en función de la
temperatura requerida al vapor, y el diámetro en función de la
superficie de calefacción a instalar. En los GV. humotubulares la
superficie de calefacción está integrada por la correspondiente al
hogar, la cámara de inversión húmeda y el haz tubular. Si bien la
presión del vapor se ejerce también sobre los tubos que conforman
el haz, al ser de diámetro menor, su espesor normalmente está en el
rango de 3 a 4 mm. El material empleado en los tubos pude ser
SA.210 o caños SA.106.C. Al incremento de la superficie de
calefacción se puede responder en primera instancia, aumentando la
longitud del cuerpo cilíndrico. Pero ello tiene un límite. La
intensa ebullición y convección interior, al tener un
desplazamiento transversal al haz tubular, le produce vibraciones
tanto mayores cuanto mayor sea su longitud. Es por ello que no se
supera un cuerpo cilíndrico de 10 m. de longitud.
Mayores longitudes requieren que se instalen placas de
sostenimiento intermedio al haz tubular, lo cual encarece su
construcción. También se hacen más pronunciadas las dilataciones
diferenciales. En segunda instancia, se recurre al aumento del
diámetro del cuerpo cilíndrico. Para la ejecución del cuerpo
cilíndrico se recurre a chapa tipo SA.299 o SA.515 grado 70; ambas
de alta resistencia específica para disminuir el espesor, pero
crece el costo del material. Siempre imperan las limitaciones ya
citadas. Luego la superficie de calefacción límite ronda los 700 m2
en unidades de doble hogar y haz tubular de 60 mm. de diámetro
exterior. De tal modo que, quemando gas natural o fuel oil su
producción horaria, resultante del producto superficie de
calefacción x vaporización específica ( 700 m2. x 40 kg. vapor /
m2. hora) ronda los 28.000 kg./h.
Siempre es factible la construcción de unidades que generen
vapor a mayor presión y producción que la citada, pero se habrá de
encontrar en el mercado, que GV. de otro diseño ( acuotubular)
también lo consigue, pero con menor costo de adquisición del GV.
Finalmente el rango operativo económico del GV. humotubular está
limitado a una producción del orden de las 28 ton. /h. y a una
presión de generación del orden de las 28 a 30 bar.
Generador de vapor ACUOTUBULAR.
En estos generadores de vapor el líquido circula por el interior
de tuberías de reducido diámetro, procurando una velocidad de
circulación más elevada, que permita arrastrar las burbujas de
vapor generadas sobre la cara interior del tubo en procura de
incrementar el coeficiente de película lada agua. El vapor generado
dentro de estos tubos es descargado en el interior de un cuerpo
cilíndrico que obra de separador de fases, del cual se conectan
unos tubos llamados bajadores, aislados del hogar, que llegan hasta
los distribuidores y estos se conectan con los tubos hervidores o
subidores, cerrando así un bucle por el cual el fluido circula por
convección natural.
En el extremo superior, los tubos hervidores al abandonar la
zona del hogar, en su interior poseen un vapor húmedo de muy bajo
título (0,10 – 0,20), lo cual es útil, ya que el agua en fase
liquida es quien tiene la eficiencia para enfriar al tubo (no así
el vapor), por otro lado, a pesar del reducido título, debido a los
volúmenes específicos tan diferentes, en definitiva, el vapor ocupa
mayor volumen que la fase liquida en proporción, es la fase que
hace contacto con la superficie interna del tubo en mayor grado,
este concepto es el que define el grado de recirculación, que es el
que dice cuanto fluido hay que recircular por unidad de tiempo,
para conseguir determinado gasto de vapor.
Compresores
Descripción general del compresor ideal
Un compresor es un equipo cuya finalidad es suministrar un gas a
una presión mayor que aquella a que se lo dispone. En consecuencia
el compresor ingresa el gas en un estado y sale en otro por lo que
el gas realiza una transformación termodinámica abierta y no un
ciclo.
Para efectuar la transformación se pueden utilizar compresores
centrífugos (de gran caudal y baja presión), de tornillo y soplante
o de pistón y cilindros siendo éste el que vamos a estudiar.
Compresor de pistón y cilindro
Consideremos un compresor ideal en el cual al estar el pistón en
el PMS (punto muerto superior) no existirá gas en el interior del
cilindro.
Al descender el pistón se abre la válvula de admisión y se
comienza a llenar el cilindro de aire hasta que el pistón llega al
PMI (1-2) a presión constante.
Al invertirse el desplazamiento del pistón el gas comienza a
comprimir (2-3) hasta que se alcanza la presión de gas deseada. En
el cual la válvula de salida abre y el pistón empuja al gas fuera
del cilindro a presión constante (3-4). Al p-V se lo llama Diagrama
Indicado NO es un diagrama termodinámico..
Si presentamos los diversos estados del gas en un diagrama P-v
(volumen especifico) veremos que los puntos 1 y 2 coinciden ya que
el estado no se modifica. La variación del volumen es debido a una
variación de la masa al igual que lo hace en los puntos 3 y 4.
El compresor a émbolo constituye un sistema abierto a flujo no
permanente, pero dado que todo el gas que entra durante la admisión
sale durante el barrido podemos asimilar al compresor a un sistema
circulante y mediante las expresiones del primer principio calcular
el trabajo requerido:
Donde despreciamos los valores de energía potencial y cinética
del gas y suponemos al proceso de compresión cuasi estático.
La compresión se lleva a cabo por la poli trópica ya que por la
isotérmica (la de menor trabajo) sería imposible ya que las paredes
del cilindro deberían ser completamente diatérmicas al igual que
por la adiabática (la de mayor trabajo) ya que los materiales
deberían ser aislantes perfectamente.
dónde 1< n <γ (1coeficiente de la isotérmica, γ
coeficiente de la adiabática).
Una sola etapa no es conveniente cuando la relación de presiones
es 10 (p2/p1>10), ya que la temperatura a la salida es muy alta
lo que produce la carbonización del lubricante.
Una sola etapa no es conveniente para presiones mayores a 10
bares, porque la temperatura a la salida es muy alta y se produce
la carbonización del lubricante.
Compresión en etapas
A medida que la relación de presiones p2/p1 crece, también crece
el exceso de trabajo con respecto a la compresión isotérmica así
como la elevación de temperatura del gas.
A fin de disminuir el trabajo requerido y la temperatura final
del gas se recurre a la compresión en etapas con enfriamiento
intermedios.
Cuando la relación de presiones p2/p1>10 es necesario
realizar más de una etapa.
En este caso el aire entra primero a un compresor, llamado de
baja, que eleva la presión a una presión intermedia pi.
Luego pasa por un enfriador y finalmente por un compresor,
llamado de alta, para llegar a la presión p2.
Describiendo el proceso en un diagrama p-v se puede apreciar que
el trabajo ahorrado está representado por la superficie rayada.
A medida que realicemos más etapas, más nos aproximamos a la
compresión isotérmica, pero esto tiene un límite técnico-económico
ya que la instalación de cada paso requiere de otro equipo por lo
que se llega a un equilibrio.
Para obtener las presiones intermedias óptimas que deben
utilizarse lo que se hace es:
Para una etapa . Esta es la ideal, la cual hace ahorrar mas
trabajo.
O generalmente
Ciclo de Carnot
Es el ciclo más sencillo, opera con dos fuentes T1 y T2 y
p.Vγ=cte. está constituido por dos isotérmicas y dos adiabáticas.
El mismo se produce dentro de la zona heterogénea en el diagrama
entrópico del agua y describe en el mismo el rectángulo
1-2-3-4.
El ciclo comienza con una compresión adiabática del vapor húmedo
obteniendo al final de proceso un líquido saturado. Para poder
llevar a cabo esta transformación (1-2) el equipo que necesito es
un compresor (W1-2).
Luego el líquido saturado del estado 2 se convierte en un vapor
saturado 3 a temperatura y presión constante para lo cual necesito
suministrarle una cantidad de calor Q2-3 que lo puedo hacer con una
caldera.
El vapor que sale de la caldera en el estado 3 se expande
adiabáticamente en la que se reducirá su presión y temperatura
entregando un trabajo al medio W3-4. Para realizar ésta
transformación, podemos instalar una turbina y obtener así el
trabajo.
El vapor húmedo que sale de la turbina con título X4 se condensa
llegando al punto 1 con un título X1
Ventajas
Máximo rendimiento térmico:
Desventajas
Muy baja viabilidad práctica debido a:
En el condensador se debe sacar vapor húmedo, lo cual es muy
difícil de hacer ya que es más fácil extraer del mismo el líquido
condensado.
Ciclo de Rankine
Este es un ciclo muy parecido al de Carnot, sólo que tiene
algunas mejoras a nivel tecnológico pero no logra superar su
rendimiento térmico.
Se lo denomina húmedo porque 4 está dentro de la campana.
El fluido en estado líquido saturado en 1 eleva su presión hasta
2 por medio de una bomba que hace un trabajo W1-2=Wb. El aumento de
presión en el fluido produce un pequeño aumento de su temperatura
pero ésta es tan pequeña que se desprecia. El líquido en el estado
2 debe elevar su temperatura por lo que ingresa a una caldera en la
cual se producen dos procesos: primero, la calefacción del líquido
hasta la temperatura de vaporización de caldera T2 y luego
vaporización, es de aquí el menor rendimiento térmico.
El vapor saturado que sale la caldera se expande, al igual que
en Carnot, en una turbina produciendo trabajo y sale en el estado 4
con un título X4. El vapor húmedo entra al condensador y sale como
líquido saturado en el que está en estado 1.
Ventajas
Buena relación de trabajo rw: ya que la bomba consume poco
trabajo
buena viabilidad técnica, ya que:
Es fácil extraer el líquido saturado del condensador.
La bomba está diseñada para trabajar con líquidos.
Bajo consumo específico de vapor:
Desventajas
Rendimiento térmico menor al de Carnot, ya que necesito más
calor en la caldera.
Título a la salida de la turbina X4= bajo, lo que erosiona los
álabes de la misma.
Para aumentar el rendimiento térmico en esta máquina, lo que se
puede hacer es aumentar la temperatura de vaporización T2 o
disminuir la temperatura de condensación T1.
Se aumentan la temperatura T2 hasta T2` por ejemplo, lo que te
tendremos es un menor título X4` de salida en la turbina lo que
provocará el desgaste de la misma en mayor medida.
Si en cambio disminuimos T1 hasta T0 la temperatura atmosférica,
el vapor no se condensara, ya que el elemento refrigerante se
encontrará a la misma temperatura y no se producirá el intercambio
de calor. Aún así no lleguemos a la temperatura atmosférica, el
condensador tiene un área de intercambio calculada para una cierta
diferencia de temperaturas entre líquido refrigerante y el
circulante.
Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento
Para lograr que el vapor que circula por la turbina no contenga
humedad excesiva, se recurre a sobrecalentar el vapor antes de su
entrada la turbina. Al vapor saturado que sale de la caldera, se lo
sobrecalienta a presión constante hasta el estado 3.
Al sobrecalentar el vapor antes de su envío a la turbina, se han
incrementado tanto el trabajo útil como la cantidad de calor a
suministrar al agua para describir el ciclo.
Para analizar lo que sucede con el rendimiento térmico,
incluiremos conceptos de temperatura media Tm vendría a ser lo que
es la temperatura T2 para el ciclo de Carnot.
En analogía con Carnot
Como S4=S3 y S1=S2 tenemos:
Por comparación con lo que el rendimiento queda:
El aumento de entropía para el vapor recalentado es muy pequeño
(calor absorbido) mientras que el aumento de entalpía es notorio
(trabajo en la turbina) con lo que el rendimiento es mejor con el
sobrecalentamiento.
A medida que aumentamos la temperatura T3, mayor rendimiento
obtenemos, pero existe una limitación en la temperatura final del
sobrecalentamiento dado por las propiedades de los materiales con
que se construyen los sobrecalentadores.
La existencia de este límite en la temperatura final de
sobrecalentamiento motiva a su vez que no pueda superarse una
cierta presión para disminuir el calor latente de vaporización y el
volumen de los gases ya que en la expansión en la turbina tendremos
un título bajo.
Una disminución del calor latente de vaporización significa
ceder menor calor y por ende un ahorro de combustible.
Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio
Para evitar el problema de la disminución del título al aumentar
la presión, lo que se hace es uno o varios recalentamientos.
En este ciclo, el vapor se sobrecalienta hasta la temperatura
máxima admisible y se expande en un primer cuerpo de la turbina
hasta una presión intermedia entre la presión de caldera y la del
condensador. Luego va a un recalentador intermediario en el que
vuelve a sobrecalentarse a presión constante otra vez, hasta la
temperatura máxima admisible, después de lo cual penetra en el
segundo cuerpo de la turbina en que se expande hasta la presión del
condensador.
El rendimiento térmico en este caso será mejor ya que se logra
tener mayor trabajo con menos calor en proporción.
La temperatura T4 ≥ Tm ya que si es menor podemos llegar a
perder rendimiento.
Cuando las presiones de vaporización son muy elevadas, habrá que
realizar dos recalentamientos intermedios a fin de asegurar que
ninguna parte de la turbina circule vapor con alto porcentaje de
líquido.
Ciclo regenerativo
En un ciclo Rankine con recalentamiento, el recalentamiento del
vapor saturado provoca un aumento de la temperatura termodinámica
media a la cual se absorbe el calor, ya que este calor adicional se
absorbe a temperaturas superiores a la temperatura T de ebullición
correspondiente a la presión p de caldera. Sin embargo, el agua que
abandona la bomba de alimentación, absorbe el calor que llevará
hasta la temperatura de ebullición, a una temperatura relativamente
baja. Como hemos visto, una absorción de calor es tanto más eficaz
cuanto mayor es la temperatura del medio que absorbe el calor,
podremos esperar un aumento de rendimiento del ciclo, calentando el
agua procedente de la bomba de alimentación antes de su entrada en
la caldera. Esta operación recibe el nombre de precalentamiento
regenerativo.
El vapor que se expande en la turbina cede calor al agua de
alimentación de la caldera y la calienta hasta su temperatura de
ebullición.
En la turbina se purgan caudales de vapor a presiones pa, pb,…
respectivamente según sean los números de regeneraciones que tiene
el ciclo para los precalentadores, en donde ceden calor al agua de
alimentación. Con este procedimiento disminuye el trabajo realizado
por la turbina ya que, tal como avanza la expansión, la cantidad de
vapor es menor. Sin embargo, en conjunto se tiene una mejora en el
rendimiento térmico, debido principalmente a que el
precalentamiento del agua de alimentación provoca un considerable
aumento de la temperatura termodinámica media a la cual se absorbe
el calor.
El número de regeneramiento se obtiene de hacer un balance
económico ya que cada uno tienen costo que se debe solventar.
Las temperaturas intermedias (Ti) se pusieron de la siguiente
fórmula:
Esta fórmula se obtiene al construir una gráfica del rendimiento
en función de la temperatura y el número de regeneraciones.
Teóricamente, si se pudiese realizar una turbina intercambiadora
de calor, el calor que se le debe suministrar al líquido para que
se llegue al estado líquido saturado, se podría compensar, pero eso
es técnicamente imposible. Otra opción sería colocar un número
infinito de precalentadores, pero eso sería económica y
técnicamente imposible.
Si alguno de estos dos sería posible, el rendimiento del ciclo
de Rankine podría alcanzar al de Carnot.
Ciclos de máquinas térmicas a gas
Ciclo de Carnot
Se utilizan compresores centrífugos, ya que necesita gran
volumen pero bajas relaciones de presiones (entre 2 y 3).
Las instalaciones mas modernas llevan entre 3 y 4 etapas de
compresión con refrigeración entre compresor y compresor (salvo en
el último, que no lleva).
Al igual que antes, el ciclo de Carnot sigue estando constituido
por dos isotermas y dos isoentrópicas, sólo que NO trabaja con
vapor, trabaja con gas, al cual suponemos ideal y de calor
específico constante.
El gas pasa del estado 1 al 2 de manera isoentrópica a través
del compresor, tiene una mayor presión (Pmáx) y una mayor
temperatura. Luego, el gas en el estado dos pasa por un
intercambiador de calor en el cual absorbe calor y disminuye su
presión llegando al estado 3 donde se expande por la turbina hasta
llegar a 4. Después pasa por otro intercambiador en el cual pierde
calor y regresa al compresor.
Los trabajos isoentrópicos del compresor y la turbina vienen
dados por:
Ambas máquinas funcionan, por decirlo así "inútilmente" o sea,
sin ceder trabajo. El trabajo útil proviene de la diferencia de los
dos trabajos isotérmicos.
Q2-3 absorbe calor (Qabs).
Tampoco en este caso el ciclo de Carnot satisface las
condiciones necesarias para poder ser considerado como el proceso
de comparación de una turbina de gas. Incluso prescindiendo de que
la compresión y expansión isotérmicas son de bajo rendimiento, la
relación pmax/pmin=p2/p1 debería ser muy elevada para obtener
rendimientos aceptables. Esta relación de presiones no es
técnicamente realizable cuando el calor deba ser absorbido a las
temperaturas a las que hoy en día se puede trabajar desde el punto
de vista de los materiales de construcción de la instalación.
Si suponemos dadas las presiones extremas pmax=p2 y p4=pmin y la
temperatura inferior T1, la única forma aumentar el rendimiento es
aumentando T2, pero se deduce del diagrama que al aumentar T2´
La superficie encerrada disminuye incluso llega a anularse
cuando:
En este caso el rendimiento teórico es el máximo.
Pero para este rendimiento el trabajo útil es igual a 0.
Asimismo, el rendimiento se anula cuando T2/T1=1. Entre ambos
límites existe una relación T2/T1 óptima, para la cual el trabajo
útil Wútil sea máximo con lo cual se obtiene un rendimiento
óptimo.
Ventajas
· Máximo rendimiento térmico.
Desventajas
· Baja relación de trabajo.
· Alto consumo de gas.
· Viabilidad práctica nula.
Ciclo Joule-Brayton abierto
Hipótesis:
· El calor de la combustión entra en el intercambiador de
calor.
· El calor es enfriado para ser utilizado nuevamente.
La mayor parte de las instalaciones de turbina de gas son de las
llamadas de circuito abierto, en las que realmente no se describe
un ciclo termodinámico pero se los puede estudiar cómo se fueran
cerrados suponiendo que agregamos un intercambiador de calor y al
combustor lo hacemos un intercambiador de calor.
En estos ciclos el compresor comprime aire que toma de la
atmósfera y lo envía a una cámara de combustión en que se realizará
combustión a presión constante. Los gases de la combustión se
expanden en la turbina y escapan a la atmósfera.
La instalación es menos costosa, pues no requiere intercambiador
de calor, y las presiones son mucho menores, pero no puede
emplearse en ella cualquier combustible, pues sus productos de
combustión son los que circulan por la turbina.
Al estudiarse igual que una de ciclo cerrado, las expresiones de
rendimiento y de relación de trabajo son las mismas.
Ventajas
· Buena viabilidad.
· Mayor eficacia de transferencia de calor que en el
cerrado.
Desventajas
· Los gases de escape ensucian la turbina.
· Se ve influenciado por las condiciones ambientales.
· Se liberan mucha energía que no se usa (salida de la
turbina).
Ciclo de Joule-Brayton cerrado
Con este ciclo es posible analizar el abierto, aplicando las
siguientes hipótesis:
· El calor de la combustión ingresa al intercambiador de
calor.
· El gas en enfriado para ser utilizado nuevamente.
En este ciclo el gas en estado 1 penetra a un compresor
adiabático que le incrementa la presión y sale de él en el estado
2. En un intercambiador de calor a presión constante recibe el
calor Q2-3 y sale en el estado 3. La expansión adiabática se
realiza en una turbina de la que sale el gas con estado 4,
completándose el ciclo en un intercambiador de calor que a presión
constante, se le quita la cantidad de calor Q4-1.
El rendimiento térmico viene dado por:
La expresión que se obtiene del rendimiento térmico nos indica
que este depende únicamente de la relación de presiones y crecerá
al crecer esta relación. Por otra parte, baja la temperatura de
entrada a la turbina (T3) al crecer la relación de presiones,
disminuirá el trabajo neto obtenido al describir el ciclo.
Para obtener la relación de presiones óptima y obtener el mayor
trabajo neto hacemos la derivada de trabajo neto respecto de la
relación de presiones y la igualamos a cero y obtenemos el valor de
presiones, que nos dará un rendimiento óptimo.
La relación de trabajo se expresa como
Y el consumo específico de vapor será: Ventajas
· Buena viabilidad práctica.
· Buena relación de trabajo.
· Bajo consumo de gas.
· La presión de baja no siempre es la atmosférica (mover más
masa).
· NO ensucia la turbina por ser un fluido único.
Desventajas
· Trabaja con altas presiones para desplazar mayor masa.
· Robusto.
· Menos eficiente.
· El gas a utilizar debe ser correctamente seleccionado (Alto
Cp, alto coeficiente de transferencia de calor, alta conductividad
térmica, que no sea corrosivo y que sea lo mas estable posible). El
hidrógeno se adapta a estas características pero es muy combustible
y por eso no se lo utiliza; podría ser el helio pero para nosotros
es muy caro, por lo cual utilizaríamos nitrógeno.
En este ciclo ocurre muchas veces que la temperatura de los
gases a la salida de la turbina supera a la temperatura del gas a
la salida del compresor, en este caso puede mejorarse el
rendimiento intercalando entre el compresor y la cámara de
combustión, un regenerador en que se precalienta el aire con los
gases de escape de la turbina.
A este ciclo se le denomina ciclo Joule-Brayton
regenerativo.
Ciclos frigoríficos a compresores de vaporCiclo de Carnot
En las siguientes figuras se observa el ciclo de Carnot y la
instalación requerida.
No es un ciclo de comparación.
· 1-2) es una compresión adiabática. El fluido aumenta su
temperatura porque aumenta su presión mediante el suministro del
trabajo W.
· 2-3) es un proceso de condensación. El fluido pasa de vapor
saturado a líquido saturado a igual temperatura y presión liberando
una cantidad de calor Q2-3 a la fuente caliente.
· 3-4) es una expansión adiabática reversible, durante la cual
el fluido al disminuir la presión se evapora parcialmente y
disminuye su temperatura quedando finalmente como vapor húmedo en
el estado 4.
· 4-1) es una vaporización. El fluido absorbe una cantidad de
calor Q4-1 de la quita calor y cambia su estado a un título mayor
que en 4.
Para realizar el proceso 3-4 debería instalarse un expansor
(baja la presión y la temperatura) obteniéndose en el mismo un
trabajo WE, el cual disminuiría el trabajo requerido W=WC-WE pero
la realidad nunca se coloca un expansor en la instalación ya que la
expansión no sería reversible sino irreversible debido a los
rozamientos y además las presiones de entrada y salida no serían
constantes ya que la temperatura de vaporización y condensación no
lo son con lo que sería mecánicamente muy difícil la regulación de
la expansión.
El evaporador (por ejemplo la parte interior de la heladera)
traspasa calor al fluido, es el que está a mayor temperatura.
Ciclo frigorífico a compresor en régimen húmedo
En lugar del expansor, se coloca una válvula laminadora en la
que la corriente fluida se estrangula reduciéndose la presión sin
producir trabajo. Si consideramos a la válvula laminadora
adiabática, no hay en ella intercambio de calor ni el trabajo
quedando la expresión del primer principio de la siguiente
forma:
Si despreciamos las variaciones de energía cinética y la
diferencia de altura geométrica nos queda:
Este proceso por ende es isoentálpico e irreversible y aparece
indicado en el diagrama en línea de trazo.
El fluido al salir de la válvula y entrar al evaporador lo hará
con una entalpía mayor que en el caso del ciclo ideal y por lo
tanto el efecto frigorífico disminuirá estando representado por el
área rayada.
El coeficiente de eficiencia frigorífica se podrá calcular en
función únicamente las temperaturas, ahora tendremos:
y
Ciclo frigorífico a compresor en régimen seco
Tiene separador de líquidos.
Dado que mecánicamente puede traer inconvenientes el hecho de
comprimir vapor (si se comprime líquido se puede dañar) húmedo y
transformarlo a vapor saturado seco se intercala entre el
evaporador y el compresor un separador de líquido.
Al compresor llegará ahora vapor saturado seco, retornando hacia
el evaporador el líquido que pudiera arrastrar la corriente
fluida.
Al entrar al compresor vapor saturado seco, el punto 1 se
ubicará sobre la campana en la intersección de la línea de vapor
seco y la de presión del evaporador.
Si suponemos la transformación en el compresor adiabática
reversible, su representación será el trozo de vertical que parte
de 1 y concluye en 2 a la presión que reina en el condensador. Ya
que del compresor saldrá vapor sobrecalentado que en el condensador
se enfriará hasta T1, temperatura de equilibrio líquido-vapor que
reina en dicho aparato y luego se condensará completándose el
ciclo.
En este ciclo el compresor requerirá un trabajo W=i2-i1 mayor
que en el régimen húmedo y la cantidad de calor Q4-1 absorbido
también será mayor pero en menor proporción por lo que el
coeficiente de efecto frigorífico será menor.
Esto se puede explicar con que la zona agregada (2`2 1`1)
equivale a agregar ciclos de Carnot frigoríficos, todos con la
misma temperatura de fuente fría y con temperatura de fuente
caliente mayores. En consecuencia, los coeficientes de eficiencia
frigorífica de los ciclos elementales agregados será menores y el
conjunto deberá tener un coeficiente inferior al del ciclo sin
dichos agregados, o sea el del régimen húmedo del compresor.
Para mejorar la eficiencia frigorífica existen dos
posibilidades:
1) Aumentar Q4-1 con el mismo W.
2) Disminuir W manteniendo Q4-1.
La primera de las operaciones se lograría realizando un
sub-enfriamiento del líquido, es decir, que líquido se refrigerará
hasta una temperatura inferior a la de saturación correspondiente a
la presión que reina en el condensador.
La segunda posibilidad podrá realizarse haciendo la compresión
en etapas.
Cuando alejo la fuente fría de la fuente caliente, la eficiencia
frigorífica disminuye porque aumenta W y disminuye Q4-1.
Ciclos frigoríficos con compresor en dos etapas
El vapor que proviene del evaporador luego de pasar por el
separador de líquido, penetra a un compresor de baja en el que se
incrementa su presión hasta una presión intermedia, luego pasa por
un refrigerante intermedio en que se disminuye su temperatura a
presión constante y en el compresor de alta se vuelve a aumentar la
presión hasta la presión que reina en el condensador. En el
diagrama entrópico, el área rayada representa la disminución de
trabajo por unidad de masa de fluido que circula por la
instalación.
Apuntes de Termodinámica y Maquinas Térmicas
Ingeniero Llobel Vincze, Alexis Emanuel
43..
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