58 de 953. Segunda y tercera Ley de la termodinmica UNIVERSIDAD
NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIALESCUELA DE
INGENIERA INDUSTRIAL
FUERZA MOTRIZ
Curso:Fuerza Motriz.
Profesor: Ricardo Seminario Vsquez.
Alumnos:Seminario Beltrn Edwin.
-2014-
TRABAJO MECNICO
En mecnica clsica, el trabajo que realiza una fuerza se define
como el pro- ducto de sta por el camino que recorre su punto de
aplicacin y por el coseno del ngulo que forman la una con el otro.
El trabajo es una magnitud fsica escalar que se representa con la
letra W (del ingls Work) y se expresa en unidades de energa.
Matemticamente:
W = F s cos .
Donde W es el trabajo mecnico, F es la magnitud de la fuerza, s
es la magnitud del desplazamiento y es el ngulo que forman entre s
la fuerza y el desplaza- miento. Cuando una fuerza es perpendicular
al desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza
no realiza trabajo alguno.
Si la partcula P recorre una cierta trayectoria en el espacio,
su desplazamiento total entre dos posiciones A y B puede
considerarse como el resultado de sumar infinitos desplazamientos
elementales dr y el trabajo total realizado por la fuerza F en ese
desplazamiento ser la suma de todos esos trabajos elementales.
Trabajo de expansin y compresin
En termodinmica el trabajo que se realiza cuando un gas se
expande o se comprime ejerciendo una presin desde un volumen A
hasta otro volumen B.
El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por
lo tanto, no constituye una variable de estado. La unidad bsica de
trabajo en el S.I. es newton por metro y se denomina joule o julio,
y es la misma unidad que mide la energa. Por eso se entiende que la
energa es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo
provoca una variacin de energa.
El trabajo, desde el punto de vista mecnico, suele definirse
como el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la
direccin de la fuerza. La definicin de trabajo desde el punto de
vista termodinmico es ms general: un sistema realiza trabajo,
interaccin entre el sistema y su entorno, si el nico efecto sobre
el entorno podra ser el levantamiento de un peso. La magnitud del
trabajo es el producto del peso por la distancia que podra
levantarse.
Figura 2.1: El trabajo en los diagramas de Clayperon.
El convenio elegido para trabajo positivo es que si el sistema
realiza trabajo sobre su entorno, entonces es positivo. El trabajo
que realiza un mbolo que comprime un fluido es negativo mientras
que un fluido expandindose contra un mbolo realiza un trabajo
positivo.
Energa Interna
La energa interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la
energa a escala microscpica. Ms concretamente, es la suma de la
energa cintica interna, es decir, de las sumas de las energas
cinticas de las individualidades que lo forman respecto al centro
de masas del sistema, y de la energa potencial interna, que es la
energa potencial asociada a las interacciones entre estas
individualidades.
La energa interna no incluye la energa cintica traslacional o
rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energa
potencial que el cuerpo pueda tener por su localizacin en un campo
gravitacional o electrosttico externo.Si pensamos en constituyentes
atmicos o moleculares, ser el resultado de la suma de la energa
cintica de las molculas o tomos que constituyen el sistema (de sus
energas de traslacin, rotacin y vibracin), y de la energa potencial
inter-molecular (debida a las fuerzas inter-moleculares).
En un gas ideal monoatmico bastar con considerar la energa
cintica de traslacin de sus molculas.
En un gas ideal poli atmico, deberemos considerar adems la
energa vibracional y rotacional de las mismas.
La energa interna U es una propiedad extensiva. La propiedad
intensiva asociada es la energa interna especfica u; es decir, u =
U/m. En el caso de los sistemas simples en equilibrio, slo se
necesitan dos propiedades para determinar el estado de una
sustancia pura, como el aire o el vapor de agua.
Deduccin de la primera ley
Al primer principio de la termodinmica se le conoce generalmente
con el nombre de principio de la conservacin de la energa. En los
cursos de fsica elemental, el estudio de la conservacin de la
energa hace hincapi en las variaciones de las energas cintica y
potencial y en su relacin con el trabajo. En una formulacin ms
general del principio de conservacin de la energa se incluyen los
efectos de la transferencia de calor y de las variaciones de energa
interna. Esta formulacin ms general recibe habitualmente el nombre
de primer principio de la termodinmica. Tambin pueden incluirse
otras formas de energa, tales como las energas electrosttica,
magntica, de deformacin y superficial.
El primer principio de la termodinmica o primera ley de la
termodinmica se postula a partir del siguiente hecho
experimental:
En un sistema cerrado adiabtico (aislado) que evoluciona de un
estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no
depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.
Este enunciado supone formalmente definido el concepto de
trabajo termodinmico, y sabido que los sistemas termodinmicos slo
pueden interaccionar de tres formas diferentes (interaccin msica,
interaccin mecnica e interaccin trmica). En general, el trabajo es
una magnitud fsica 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 adiabticos, el trabajo no va a depender del
proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En
consecuencia, podr ser identificado con la variacin de una nueva
variable de estado de dichos sistemas, definida como energa
interna.
Se define entonces la energa interna, U , como una variable de
estado cuya variacin en un proceso adiabtico es el trabajo
intercambiado por el sistema con su entorno:
Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al
estado final B pero por un proceso no adiabtico, la variacin de la
energa debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo
intercambiado ser diferente del trabajo adiabtico anterior. La
diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de
interaccin trmica.
Esta definicin suele identificarse con la ley de la conservacin
de la energa y, a su vez, identifica el calor como una
transferencia de energa. Es por ello que la ley de la conservacin
de la energa se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno
de los enunciados de la primera ley de la termodinmica:
La variacin de energa de un sistema termodinmico cerrado es
igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de
trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.
Proceso adiabtico
En termodinmica se designa como proceso adiabtico a aquel en el
cual el sistema no intercambia calor con su entorno (Q = 0). Un
proceso adiabtico que es adems reversible se conoce como proceso
isentrpico (S = 0). El trmino adiabtico hace referencia a elementos
que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared
aislada se aproxima bastante a un lmite adiabtico. En un proceso
adiabtico la primera ley se puede escribir como:U + W = 0.
El calentamiento y enfriamiento adiabtico son procesos que
comnmente ocurren debido al cambio en la presin de un gas. Esto
puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.
Proceso isotrmico
Se denomina proceso isotrmico o proceso isotermo a la evolucin
reversible de un sistema termodinmico que transcurre a temperatura
constante. La compresin o la expansin de un gas ideal en contacto
permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo.
La expansin isoterma de un gas ideal puede llevarse a cabo
colocando el gas en contacto trmico con otro sistema de capacidad
calorfica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro
sistema se conoce como foco caliente.
Proceso Isobrico
Proceso Isobrico es aquel proceso termodinmico que ocurre a
presin constante. En l, el calor transferido a presin constante est
relacionado con el resto de variables mediante:Q = U + p V.
Proceso Isocrico
Un proceso Isocrico, tambin llamado proceso isomtrico o iso
volumtrico es un proceso termodinmico en el cual el volumen
permanece constante. Esto implica que el proceso no realiza trabajo
presin-volumen.
Aplicando la primera ley de la termodinmica, podemos deducir que
Q, el cambio de la energa interna del sistema es:
Q = U,
Es decir, para un proceso Isocrico todo el calor que
transfiramos al sistema que- dar a su energa interna. Si la
cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de
energa ser proporcional al incremento de temperatura.
ENUNCIADOS CLSICOS DE LA SEGUNDA LEY
La segunda ley de la termodinmica ha sido expresada de muchas
maneras diferentes.
Es imposible un proceso cuyo nico resultado sea la transferencia
de energa en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a
otro de mayor temperatura.
Enunciado de Clausius.
Es imposible todo proceso cclico cuyo nico resultado sea la
absorcin de energa en forma de calor procedente de un foco trmico
(o reservorio o depsito trmico), y la conversin de toda sta energa
en forma de calor en energa en forma de trabajo.
Enunciado de Kelvin-Planck.
Algunos corolarios del principio, a veces empleados como
enunciados alternativos.
Ningn proceso cclico es tal que el sistema en el que ocurre y su
entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que
partieron.
En un sistema aislado, ningn proceso puede ocurrir si a l se
asocia una disminucin de la entropa total del sistema. Corolario
del principio, debido a Clausius.
Visualmente, el segundo principio se puede expresar imaginando
una caldera de un barco de vapor. Esta no podra producir trabajo si
no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presin
elevadas comparadas con el medio que la rodea.
SEGUNDA LEY Y ENTROPA
La cantidad de entropa de cualquier sistema aislado
termodinmicamente tiende a incrementarse con el tiempo.
Ms sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado
interacciona con otra parte, la energa tiende a dividirse por
igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio trmico.
La entropa describe lo irreversible de los sistemas
termodinmicos. La entropa (simbolizada como S) es la magnitud fsica
que mide la parte de la energa que no puede utilizarse para
producir trabajo. Es una funcin de estado de carcter extensivo y su
valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso
que se d de forma natural. La palabra entropa procede del griego y
significa evolucin o transformacin. Fue Rudolf Clausius quien le
dio nombre y la desarroll durantela dcada de 1850.
La funcin termodinmica entropa es central para la segunda ley.
La entropa puede interpretarse como una medida de la distribucin
aleatoria de un sistema.
Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta
entropa. Puesto que un sistema en una condicin improbable tendr una
tendencia natural a reorganizarse a una condicin ms probable
(similar a una distribucin al azar), esta reorganizacin resultar en
un aumento de la entropa. La entropa alcanzar un mximo cuando el
sistema se acerque al equilibrio, alcanzndose la configuracin de
mayor probabilidad.
La variacin de entropa nos muestra la variacin del orden
molecular ocurrido en una reaccin qumica. Si el incremento de
entropa es positivo, los productos presentan un mayor desorden
molecular (mayor entropa) que los reactivos. En cambio, cuando el
incremento es negativo, los productos son ms ordenados. Hay una
relacin entre la entropa y la espontaneidad de una reaccin qumica,
que viene dada por la energa de Gibbs.
PROCESOS IRREVERSIBLES
Un proceso es irreversible si involucra transferencia de calor a
travs de una diferencia de temperatura finita entre el sistema y su
entorno. Sin embargo, el sistema puede comportarse durante este
proceso irreversible como si el calor fuera transferido
reversiblemente a travs de una diferencia de temperatura
infinitesimal.
Se dice que este proceso es internamente reversible, porque nada
ocurre dentro del sistema para que ste sea irreversible, pero es
externamente irreversible.
Un proceso satisface nuestra definicin de proceso reversible
nicamente si es interna y externamente reversible. Los procesos
adiabticos e isotrmicos sin friccin son interna y externamente
reversibles. Un proceso que involucra friccin u otra
irreversibilidad dentro del sistema, y tambin intercambia calor con
el entorno a una temperatura diferente, es interna y externamente
irreversible.
Algunas relaciones desarrolladas para procesos reversibles
involucran nica- mente propiedades del sistema, y por consiguiente
son vlidas para procesos que son internamente reversibles, aun
cuando sean externamente irreversibles.
Un ciclo compuesto enteramente de procesos reversibles se conoce
como ciclo reversible. Si todos los procesos son slo internamente
reversibles, el ciclo es internamente reversible.
Para llevar al sistema, de nuevo, a su estado original hay que
aplicarle un trabajo mayor que el producido por el gas, dando como
resultado una transferencia de calor hacia el entorno, con un
aumento de la entropa global.
Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre
aumentar la entropa. As como la energa no puede crearse ni
destruirse, la entropa puede crearse pero no destruirse. Podemos
decir entonces que como el Universo es un sistema aislado, su
entropa crece constantemente con el tiempo. Esto marca un sentido a
la evolucin del mundo fsico, que llamamos Principio de
evolucin.
Cuando la entropa sea mxima en el universo, esto es, exista un
equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegar la
muerte trmica del Universo (enunciado por Clausius). Toda la energa
se encontrar en forma de calor y no podrn darse transformaciones
energticas.
Las mltiples aplicaciones que tienen las calderas industriales,
las condiciones variadas de trabajo y las innumerables exigencias
de orden tcnico y prctico que deben cumplir para que ofrezcan el
mximo de garantas en cuanto a solidez, seguridad en su manejo,
durabilidad y economa en su funcionamiento, ha obligado a los
fabricantes de estos equipos a un perfeccionamiento constante a fin
de encarar los problemas. La bsqueda de soluciones ha originado
varios tipos existentes agrupados segn sus caractersticas ms
importantes.
El decreto N 48/84 define caldera como un recipiente metlico en
el que se genera vapor a presin mediante la accin del calor.
Una definicin completa sera...
Caldera es un recipiente metlico, cerrado, destinado a producir
vapor o calentar agua, mediante la accin del calor a una
temperatura superior a la del ambiente y presin mayor que la
atmosfrica.
Las calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo
objetivo es:a) Generar agua caliente para calefaccin y uso
general.b) Generar vapor para plantas de fuerza, procesos
industriales o calefaccin.En este punto se tratarn slo aquellas
partes generales relevantes propias del diseo de las calderas.
Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de
partes caractersticas, es muy difcil atribuir a todas ellas un
determinado componente. En razn a lo anterior se analizarn las
partes principales de las calderas en forma general, especificando
en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento.
1. HOGAR O FOGONEs el espacio donde se produce la combustin. Se
le conoce tambin con el nombre de Cmara de Combustin.
Los hogares se pueden clasificar en:a) Segn su ubicacin.- Hogar
exterior.- Hogar interior.
b) Segn el tipo de combustible.- Hogar para combustible slido.-
Hogar para combustible gaseoso.
C) Segn su construccin.- Hogar liso.- Hogar corrugado.
Esta clasificacin rige solamente cuando el hogar de la caldera
lo compone uno o ms tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo
Hogar.
2. PUERTA HOGAR
Es una pieza metlica, abisagrada, revestida generalmente en su
interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se
echa el combustible slido al hogar y se hacen las operaciones de
control del fuego.
En las calderas que queman combustibles lquidos o gaseosos, esta
puerta se reemplaza por el quemador.
3. EMPARRILLADO
Son piezas metlicas en forma de rejas, generalmente
rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogn y
que sirven de soporte al combustible slido. Debido a la forma de
reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para
que se produzca la combustin.
a) Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben cumplir
principalmente los siguientes requisitos:
- Deben permitir convenientemente el paso del aire.- Deben
permitir que caigan las cenizas.- Deben permitir que se limpien con
facilidad y rapidez.- Deben impedir que se junte escoria.- Los
barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no
quemen o deformen.- Deben ser durables.
Algunos diseos de parrillas permiten que por su interior pase
agua para refrigerarla y evitar recalentamientos.
b) Tipos de parrilla:- Segn su instalacin:+ Fijas o
estacionarias: Son aquellas que no se muevan durante el trabajo.+
Mviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando
mientras se quema el combustible.- Segn su posicin:- Horizontales-
Inclinadas- Escalonadas.
4. CENICEROEs el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve
para recibir las cenizas que caen de sta. Los residuos acumulados
deben retirarse peridicamente para no obstaculizar el paso de aire
necesario para la combustin.En algunas calderas el cenicero es un
depsito de agua.
5. PUERTA DEL CENICERO
Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza
del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar
tambin la entrada del aire primario al hogar.
Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se
recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de
evitar el retroceso de la llama (Lengua de Toro).
6. ALTAR
Es un pequeo muro de ladrillo, refractario, ubicado en el hogar,
en el extremo opuesto a la puerta del fogn y al final de la
parrilla, debiendo sobrepasar a sta en aproximadamente 30 cm.Los
objetivos del altar son:-Impedir que caigan de la parrilla residuos
o partculas de combustible.-Ofrecer resistencia a las llamas y
gases para que stos se distribuyan en forma pareja a lo ancho de la
parrilla y lograr en esta forma una combustin completa.-Poner
resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea.
Con esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la
temperatura adecuada.
7. MAMPOSTERIA
Se llama mampostera a la construccin de ladrillos refractarios o
comunes que tienen como objeto:a) Cubrir la caldera para evitar
prdidas de calor.b) Guiar los gases y humos calientes en su
recorrido.
Para mejorar la aislacin de la manpostera se dispone, a veces,
en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el
paso del calor.
En algunos tipos de calderas se ha eliminado totalmente la
mampostera de ladrillo, colocndose solamente aislacin trmica en el
cuerpo principal y cajas de humos.
Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como
lana de vidrio recubierta con planchas metlicas y asbestos.
8. CONDUCTOS DE HUMO
Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases
calientes de la combustin. De esta forma, se aprovecha el calor
entregado por estos para calentar el agua y/o producir vapor.
9. CAJA DE HUMO
Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los
humos y gases, despus de haber entregado su calor y antes de salir
por la chimenea.
10. CHIMENEA
Es el conjunto de salida de los gases y humos de la combustin
para la atmsfera. Adems tiene como funcin producir el tiro
necesario para obtener una adecuada combustin.
11. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADOR
Consiste en una compuerta metlica instalada en el conducto de
humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma.
Tiene por objeto dar mayor o mejor paso a la salida de los gases y
humos de la combustin.
Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para
regular la cantidad de aire en la combustin, al permitir aumentar
(al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente, se usa
una combinacin con la puerta del cenicero.
12. TAPAS DE REGISTRO O PUERTAS DE INSPECCION Son aberturas que
permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos
tipos, dependiendo de su tamao:- Las puertas hombre- Las tapas de
registro.La puerta hombre por sus dimensiones permite el paso de un
hombre al interior de la caldera.Las tapas de registro, por ser de
menor tamao, permiten slo el paso de un brazo.
13. PUERTAS DE EXPLOSION
Son puertas metlicas con contrapeso o resorte, ubicadas
generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso
de presin en la cmara de combustin, permitiendo la salida de los
gases y eliminando la presin.Slo son utilizables en calderas que
trabajen con combustible lquido o gaseoso.
14. CAMARA DE AGUAEs el volumen de la caldera que est ocupado
por el agua que contiene y tiene como lmite superior un cierto
nivel mnimo del que no debe descender nunca el agua durante su
funcionamiento. Es el comprendido del nivel mnimo visible en el
tubo de nivel hacia abajo.
15. CAMARA DE VAPOR
Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior mximo
de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la
caldera.
En este espacio o cmara, el vapor debe separarse de las
partculas de agua que lleva en suspensin. Por esta razn, algunas
calderas tienen un pequeo cilindro en la parte superior de esta
cmara, llamada domo, y que contribuye a mejorar la calidad del
vapor (hacerlo ms seco).
16. CAMARA DE ALIMENTACION DE AGUA
Es el espacio comprendido entre los niveles mximo y mnimo de
agua. Durante el funcionamiento de la cmara, se encuentra ocupada
por agua y/o vapor, segn sea donde se encuentre el nivel de
agua.
CLASIFICACIN DE ACUERDO A LA CIRCULACIN DE LOS FLUIDOS DENTRO DE
LOS TUBOS DE LA CALDERA
a) Calderas humotubularesEn estas calderas son los humos los que
circulan por dentro de tubos mientras que el agua se calienta y
evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema est contenido
dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presin.b)
Calderas acuotubulares
Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor.
Por fuera, generalmente en flujo cruzado, intercambian calor los
humos productos de la combustin.
En este tipo de calderas adems el hogar (recinto donde se
produce la combustin) est conformado por paredes de tubos de agua.
En ellas el intercambio es bsicamente por radiacin desde la
llama.
CLASIFICACIN DE ACUERDO A LA PRESIN DE TRABAJO DE LA CALDERA
a) Calderas de baja presin
Calderas que producen vapor a baja presin, hasta unos 4 o 5
kg/cm2.Este rango de presiones es ms comn en las calderas de agua
caliente que en las calderas que generan vapor.
b) Calderas de media presin
Producen vapor hasta aproximadamente 20kg/cm2. Generalmente
vapor saturado, utilizadas en la industria en general.
c) Calderas de alta presin
Asociadas a ciclos de potencia, trabajan con presiones de 20
kg/cm2 hasta presiones cercanas a la crtica.
CLASIFICACIN DE ACUERDO A LA PRODUCCIN DE VAPOR
a) Calderas chicas
Producen hasta 1 o 2 toneladas de vapor saturado por hora.
b) Calderas medianas
Producciones de hasta aproximadamente 20 toneladas de vapor por
hora.Las calderas chicas y medianas casi en su totalidad son
calderas humotubulares de baja y media presin.
c) Calderas grandes
Calderas que producen desde 20 toneladas de vapor por hora,
siendo normal encontrar producciones de 500 y 600 toneladas por
hora. Generalmente vapor sobrecalentado, siendo calderas
acuotubulares.
CLASIFICACIN DE ACUERDO AL COMBUSTIBLE UTILIZADO
a) Calderas de combustibles lquidos
Se fabrican Generadores de Vapor de todo tipo y tamao que
utilizan combustibles lquidos.
Requierendeinstalacionesdealmacenajeytanquesde
servicio,deelementosdeprecalentamientodelfuely de sistemas de
bombeo y transporte.
Enlasplantasindustrialesengeneralseutilizanfelsde viscosidad del
orden de 380 - 450 (100C).
De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o
substancia que acte como agente de enfriamiento, ab- sorbiendo
calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la
refrigeracin mecnica por evaporacin de un lquido y la compresin de
vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para
transportar calor desde donde lo absorbe por ebullicin, a baja
temperatura y presin, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta
temperatura y presin.
Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema
de refrigeracin mecnica. Cualquier substancia que cambie de lquido
a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y
dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos
cambios, va a tener una aplicacin til comercialmente.
Existe un nmero muy grande de fluidos refrigerantes fcilmente
licuables; sin embargo, slo unos cuantos son utilizados en la
actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se
eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y
caractersticas que los hacen ms apropiados. Recientemente, se
decidi descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del ao
2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al
deterioro que causan a la capa de ozono en la estratsfera. En su
lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el
R-134a y algunas mezclas ternarias (ver captulo 9). Los grandes
fabricantes de refrigerantes, siguen trabajando en el desarrollo de
nuevos productos.
Los refrigerantes se identifican por nmeros despus de la letra
R, que significa "refrigerante". El sistema de identificacin ha
sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating,
Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar
familiarido con los nmeros, as como con los nombres de los
refrigerantes. En la tabla 12.3, aparecen los refrigerantes ms
comunes. Cabe mencionar que las mezclas zeotrpicas, son
refrigerantes transitorios que se desarrollaron para substituir al
R-22 y al R-502, aunque algunas de estas, van a permanecer como
sustitutos de estos refrigerantes.
Propiedades Termodinmicas
Son aquellas que tienen relacin con el movimiento del calor.
Estas propiedades se publican para cada refrigerante en forma de
tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de
Saturacin de Lquido y Vapor, y Propiedades del Vapor
Sobrecalentado. Las primeras se dan comnmente a intervalos de
temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presin,
como de temperatura.
Estas tablas son elaboradas por los fabricantes de refrigerantes
y algunas asociaciones relacionadas con refrigeracin, y se pueden
encontrar en libros de texto, manuales o boletines tcnicos. Las de
mayor aplicacin para resol- ver problemas de clculos y diseo de
equipos, son las tablas de propiedades termodinmicas de
saturacin.
Propiedades de Saturacin. En la tabla 12.12, se muestra
parcialmente las propiedades de saturacin para el R-22. La primera
columna es la temperatura en grados centgrados. Las siguientes dos
columnas, son presiones absoluta y manomtrica en kPa (o en psig).
Las dos columnas siguientes son los valores del volumen, uno es la
cantidad de litros que ocupa un kilogramo de refrigeran- te lquido,
el otro, es la cantidad de m de vapor saturado de refrigerante que
se necesita para hacer un kilogramo.
Enseguida del volumen estn las columnas de los valores de la
densidad, estas son los kilogramos de refrigerante lquido en un
litro y los kilogramos de vapor de refrigerante saturado en un m.
Estos valores son los recprocos de los valores del volumen.
Despus, hay tres columnas del contenido de calor; la primera es
el calor del lquido arriba de -40C, la segunda es el calor latente,
y la tercera es el calor total.
Las ltimas dos columnas son de la entropa en fase lquida y en
fase vapor del refrigerante. A continuacin, se describirn cada una
de estas propiedades, aunque no necesariamente en ese mismo
orden.
1. Presin
Las presiones que actan en un sistema de refrigeracin, son
extremadamente importantes. En primer trmino, se debe operar con
presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el
condensador como en el evaporador, deben ser superiores a la presin
atmosfrica. Si la presin en el evaporador es negativa, es decir,
que se est trabajando en vaco, hay riesgo de que por una fuga entre
aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presin de
evaporacin lo ms baja posible, pero ligera- mente superior a la
presin atmosfrica.
Por otra parte, la presin de condensacin debe ser lo
suficientemente baja, ya que esto determina la robustez del
compresor y del condensador. Mientras ms alta sea la presin, se
requiere un equipo ms robusto, y por lo tanto, ms caro.
2. Temperatura
Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y
que deben ser consideradas al hacer la seleccin. Estas son: la de
ebullicin, la crtica y la de congelacin.
La temperatura de ebullicin de un refrigerante, siempre es
referida a la presin atmosfrica normal de 101.3 kPa (0 psig). Se
puede decir, que el punto de ebullicin de cualquier lquido, es la
temperatura a la cual su presin de vapor es igual a la
atmosfrica.
El punto de ebullicin de un refrigerante debe ser bajo, para que
an operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura
baja en el evaporador.
En la tabla 12.5, se muestran las temperaturas de ebullicin de
los refrigerantes escogidos para efectos de comparacin. Obsrvese
que el R-170 (etano), tiene la temperatura de ebullicin ms baja,
-88.6C y el R-718 (agua) tiene la ms alta (100C)
3. Volumen
Cuando se comparan densidades de gases, es comn expresarlas en
volumen especfico. El volumen especfico de un refrigerante en fase
vapor, no es otra cosa, que el volumen en metros cbicos (m) o en
litros (l) que ocupar un kilogramo de refrigerante a condiciones
normales; esto es, a una temperatura de 20C y a la presin
atmosfrica de 101.3 kPa. (14.7 psia).
En la figura 12.10, se muestran los volmenes especficos en las
fases lquidas y vapor, para los diferentes refrigerantes
seleccionados, a una temperatura de -15C (5F). El R-718 (agua) est
considerado a una temperatura de 4C, ya que a la temperatura de
-15C estara congelado.
En un sistema de refrigeracin, al agregar calor al refrigerante,
aumenta su temperatura y su volumen especfico, pero su presin
permanece constante; ya que, en el evaporador, en la lnea de succin
y en el condensador, la temperatura de saturacin es lo que controla
la presin del vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la
temperatura del refrigerante, disminuye su volumen especfico.
Como puede observarse en la figura 12.10, el volumen especfico
en fase lquida del R-718 (agua) es 1.0 l/kg, esto significa que un
kilogramo de agua lquida ocupa un volumen de un litro. Por esta
razn, el agua es el lquido que se usa como referencia para
comparacin con otros lquidos.
MEZCLAS ZEOTRPICAS. Se llama as a las mezclas forma- das por dos
o ms componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad.
Cuando estas mezclas se evaporan o se condensan en un sistema de
refrigeracin, su composicin y su temperatura de saturacin cambian.
La palabra zetropo se deriva de las palabras griegas zein = hervir,
y tropos = cambiar.
Al hervir esta mezcla en un evaporador, la composicin del lquido
remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el lquido, se
evapora un porcentaje ms elevado del componente ms voltil. Por lo
tanto, conforme contina hirviendo la mezcla, el lquido remanente
tiene menor concentracin del componente ms voltil, y mayor
concentracin del menos voltil.
El cambio de composicin del lquido, da como resultado un cambio
en el punto de ebullicin. La temperatura a la cual empieza a hervir
el lquido (lquido saturado), se le conoce punto de burbuja. La
temperatura a la cual se evapora la ltima gota de lquido (vapor
saturado), se le llama punto de roco. A una misma presin, la
temperatura del punto de burbuja es ms baja que la del punto de
roco para cualquier mezcla zeotrpica. A este fenmeno se le conoce
como "deslizamiento de temperatura".
Este deslizamiento de temperatura tambin ocurre en el
condensador, pero aqu, la temperatura de condensacin disminuye en
lugar de aumentar. El inicio de la condensacin es en su punto de
roco, cuando todo el vapor se ha condensado, este es el punto de
burbuja.
El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la
mezcla, desde 1 2 C hasta varias decenas de grados centgrados.
Cuando una mezcla tiene un desliza- miento menor, que no conduce a
errores consecuentes en el clculo para una aplicacin en un sistema
de refrigeracin, se le llama "mezcla casi azeotrpica".
MEZCLAS AZEOTRPICAS. Se llama as a las mezclas de dos o ms
componentes de diferente volatilidad, las cuales, al ser utilizadas
en un sistema de refrigeracin, NO cambian su composicin ni su
temperatura de saturacin al hervir en el evaporador, o se condensan
a una presin constante.
La composicin del lquido es la misma que la del vapor. Las
mezclas azeotrpicas pueden inclusive ser destila- das, sin que
cambie su composicin. El prefijo "a" antes de la palabra zetropo,
es de raz latina, y significa una negacin, por lo que la palabra
azetropo se puede interpretar como que "no cambia al hervir".
Al combinar los componentes, la mezcla resultante se comporta en
muchas maneras, como si fuera un solo refrigerante puro, con una
sola temperatura de saturacin correspondiente a una presin
dada.
Generalmente el punto de ebullicin resultante de una mezcla
azeotrpica, es menor o igual que el del componente con el ms bajo
punto de ebullicin, como se puede ver en la tabla de la figura
12.26. En esta tabla, se muestran algunos ejemplos de mezclas
azeotrpicas, la mayora de las cuales no tienen importancia
comercial, y en algunos casos, incluyen materiales txicos o
inflamables. Las mezclas que contienen refrigerantes
clorofluorocarbonos (CFC) como R-12, R-114, R-115, etc... van a
desaparecer ya que estos refrigerantes CFC se dejaron de utilizar a
fines del ao 1995. Las mezclas que contienen refrigerantes
hidroclorofluorocarbonos (HCFC) como el R-22, R-23, R-152a, R-143a,
R-125, etc. van a permanecer un poco ms tiempo en el mercado,
puesto que estos refrigerantes estn programados para desfasamiento
para el ao 2030 o antes.
PRINCIPIO TERMODINMICO
Una turbina de gas funciona segn el principio de ciclo abierto.
Una caracterstica tpica del ciclo abierto es que: la sustancia
activa se toma del ambiente y se vuelve al ambiente.
Compresin adiabtica del gas fro con un compresor (A) de presin
ambiente p1 a la presin p2, con el aumento de temperatura
respectivo de T1 a T2.
Calentamiento isobrico de gas de T2 a T3 mediante la alimentacin
de calor. La alimentacin de calor se realiza quemando combustible
con el oxgeno atmosfrico en la cmara de combustin (B).
Expansin adiabtica de gas caliente en una turbina (C) de presin
p2 a p1, con la reduccin de temperatura correspondiente de T3 a
T4.
Una parte de la potencia, que se extrae con la turbina, sirve
para el accionamiento del compre- sor. El resto queda disponible
como potencia til. As se puede accionar, p. ej., un generador
(D).
REAS DE APLICACIN
Se utilizan turbinas de gas cuando se requiere una potencia alta
y un peso escaso.
Propulsin de aviones con motores turborreactores y de hlice
Propulsin de barcos rpidos, locomotoras y vehculos de carga
rpidos
Propulsin de generadores elctricos en centrales energticas
Propulsin de compresores y bombas en la extraccin de gas natural
y aceite
PRINCIPIO DE UNA TURBINA DE GAS DE EJE DOBLE
Una turbina de gas de eje doble consta de dos turbinas
independientes. La primera turbina (de alta presin) est acoplada de
forma fija con el compre- sor y lo acciona. La segunda turbina (de
potencia) no est conectada mecnicamente con la turbina de alta
presin y produce la potencia til del sistema. Con esta se acciona
un vehculo, una hlice o un generador. La ventaja de la turbina de
gas de eje doble.
Consiste en que el compresor y la turbina de alta presin se
pueden utilizar con un nmero de revoluciones ptimo para la
potencia. La turbina de potencia, por el contra- rio, se puede
adaptar de forma ideal con el nmero de revoluciones o con el par a
la funcin de propulsin. Mientras que en los vehculos se demanda una
potencia muy variable, un alternador sincrnico funciona con un
nmero de revoluciones lo ms constante posible.
La turbina se acciona con gas combustible. Un compresor auxiliar
accionado elctricamente (soplado inicial) pone en marcha la
turbina. Con un nmero de revoluciones mnimo determinado, se insufla
el gas combustible en la cmara de combustin y se enciende con
electricidad. Al alcanzar el nmero de revoluciones de autoclavado,
el compresor auxiliar se apaga y la turbina sigue funcionando con
su propia energa. La lubricacin y refrigeracin de los cojinetes de
la turbina la realiza un circuito de aceite con refrigerante de
agua y aceite regulado por termostato, una bomba de aceite y un
filtro de aceite.La turbina se apaga automticamente cuando la
temperatura del aceite es demasiado alta o la presin del aceite es
escasa.
ITESCAMIIAL - ALJ-1030Termodinmica
