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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