MÁQUINAS TÉRMICAS
Las máquinas térmicas son aquellas que funcionan intercambiando energía en forma de calor entre dos focos a diferente temperatura. Dependiendo de cómo se realice este intercambio, podremos tener un motor térmico o una máquina frigorífica. En general, estos intercambios de energía se producen usando fluidos en estado gaseoso (aunque en algunos casos también tendremos fluidos en estado líquido). Por ello, antes de estudiar a fondo tanto los motores como los frigoríficos, debemos hacer un repaso cuáles son las magnitudes básicas que definen el estado de un gas y las diferentes transformaciones que podemos llevar a cabo en él. De este estudio se encarga una rama de la física denominada termodinámica.
REPASO DE TERMODINÁMICA.
La termodinámica estudia las propiedades macroscópicas de los gases y sus transformaciones. Dado que es imposible estudiar el comportamiento individual de las 1023 partículas que componen el
sistema, la termodinámica trabaja con magnitudes macroscópicas reflejo de los promedios estadísticos del sistema.
En este curso, supondremos que los gases son ideales, y por lo tanto cumplen la ley de los gases
perfectos.
p·V = N·R·T
Es muy importante, a la hora de manejar esta ecuación, que las temperaturas siempre se expresan en la escala absoluta de temperaturas (0ºC = 273K), y que en ella no existen las temperaturas negativas.
Magnitudes termodinámicas básicas. Temperatura (T)
La temperatura se define como la energía (cinética) media por partícula en el gas. Cuanto mayor sea la energía cinética individual de una de las partículas del gas, mayor será su velocidad. Por lo tanto, cuando choque con otra de las partículas del gas (o nuestra cara) mayor será la energía desprendida en forma de calor (y por tanto, más caliente nos parecerá el aire en el que estamos inmersos).
Como ya se ha mencionado anteriormente, la temperatura se mide en kelvins (escala absoluta)
Energía interna (U)
internacional se mide en Julios (J), aunque en ingeniería se usa bastante a menudo la caloría (cal). La relación entre ambas es 1 J = 0,24 cal.
Calor (Q)
El calor se define como la energía intercambiada entre dos sistemas que entran en contacto. Por lo tanto, en el sistema internacional se mide en J.
Podemos tener dos casos.
• Los sistemas están a diferente temperatura. En ese caso la transferencia de energía se
produce desde el sistema a mayor temperatura hacia el sistema a menor temperatura, hasta que ambos las igualan. El calor cedido o absorbido (ya veremos más adelante el criterio de signos) se calcula según la fórmula:
Q = m·ce·∆T
Donde m es la masa del gas, ce su calor específico (cantidad de energía necesaria para
incrementar 1ºC la temperatura de 1 gramo de la sustancia) y ∆T la variación de la temperatura del sistema.
• Uno de los sistemas permanece a temperatura constante. Es el caso que se da en los
cambios de fase de las sustancias, que se produce sin variaciones de temperatura. En ese caso, el calor cedido o absorbido se calcula según:
Q = m·cL
Donde cL es el calor latente de fusión (energía necesaria para producir el cambio de fase a 1
g de la sustancia)
Trabajo (W)
Supongamos que tenemos un gas en un recipiente una de cuyas paredes es móviles. Si la fuerza que ejercen las partículas del gas sobre la pared móvil es suficiente para desplazarla, el gas se expandirá y realizará un trabajo, ya que éste se define como W = F · ∆x. Si, por el contrario, una fuerza exterior comprime el gas, diremos que se realiza trabajo sobre el sistema. Al igual que ocurría con el caso del calor, veremos más adelante el criterio de signos.
Como la fuerza y el desplazamiento no son variables que definen un sistema termodinámico (llamadas variables de estado), podemos jugar con la fórmula hasta obtener una expresión en función de variables de estado, multiplicando y dividiendo por la superficie del recipiente que
contiene al gas:
W = F · x = F · ∆x ·S/S = F/S · ∆x·S = p · ∆V
Relación entre U, Q y W. Primer principio de la termodinámica. Criterio de signos.
El primer principio de la termodinámica implica la conservación de la energía. Por lo tanto si el sistema intercambia calor o trabajo con el exterior, su energía interna deberá variar:
∆U = Q - ∆W Criterio de signos:
• Si el sistema absorbe calor, su energía interna aumentará. Q>0
• Si el sistema cede calor, Q<0
• Si el sistema realiza trabajo, ∆W>0. En este caso, el sistema ha perdido energía interna,
por eso aparece un signo -. El gas ha sufrido una expansión.
• Si se realiza trabajo sobre el sistema, ∆W<0. El gas ha sufrido una compresión
Transformaciones termodinámicas.
Si tenemos un gas en unas condiciones iniciales de presión, volumen y temperatura y logramos que una, varias o todas esas magnitudes, cambien de valor, diremos que el gas ha sufrido una transformación termodinámica.
Para estudiarlas, son muy útiles los diagramas p-V, en los que se muestran las presiones y volúmenes del gas al inicio y al final de la transformación, así sus valores intermedios durante la transformación.
En ellos, también podemos medir el valor absoluto de la variación del trabajo, ya que será el área bajo la curva. Si es una expansión el trabajo será positivo, y negativo en caso de una compresión.
Transformación isócora.
Se realiza a volumen constante. Por lo tanto, no producen ni consumen trabajo, y todas las variaciones de energía interna se deben a intercambio de calor.
∆U = Q = m·cv·∆T
Transformación isóbara.
Se produce a presión constante. Hay intercambios de calor y de trabajo con el exterior.
W = p · ∆V Q =m·cp·∆T
Donde cp es el calor específico del gas a presión constante. Transformación isoterma.
Se produce a temperatura constante. Como tampoco cambia el número de partículas del sistema, no hay variación de la energía interna. Por lo tanto, Q = ∆W.
Para calcular el trabajo, integramos, ya que nos dará el área bajo la curva entre los puntos inicial y final. Para ello, usaremos diferenciales en vez de incrementos.
dW = p · dV
W=
∫
p · dV=∫
(nRTV )· dV=nRTlnV Si calculamos la integral definida:
W = nRT ln (Vf – Vi) = nRT ln(Vf /Vi) Transformación adiabática.
Son las que se producen sin que el sistema intercambie calor. Por lo tanto, todas las variaciones de energía interna serán en forma de trabajo, justo lo que interesa en un motor térmico. Pi· Vγ i=Pf·V γf Pi· Tγ−1 i =Pf·T γ−1 f
Máquinas Térmicas. 2º Principio de la termodinámica
Por lo que se ha visto hasta ahora, parecería factible construir una máquina térmica que pudiese extraer energía en forma de calor de algún sitio al que denominaremos foco caliente y, mediante una transformación termodinámica adecuada, convertirlo en trabajo. Sin embargo, esto no está permitido por el segundo principio de la termodinámica.
Este principio, relacionado con la entropía, presenta varias formulaciones equivalentes diferentes. En nuestro caso, se puede expresar como la imposibilidad de fabricar una máquina térmica que funcione intercambiando calor con un único foco de temperatura. En otras palabras, necesitamos intercambiar calor entre dos focos, uno llamado foco caliente, a una temperatura TC y otro llamado
foco frío, que permanecerá a una temperatura inferior, TF. Motor térmico
En un motor térmico, extraeremos un calor QC del foco caliente.
Parte de él podrá ser transformado en trabajo útil W. La fracción que no hayamos podido transformar en trabajo será expulsado en forma de calor QF al foco frío.
Se define el rendimiento de un motor térmico como el cociente entre el trabajo obtenido y la energía absorbida del foco caliente:
η=W QC =QC−QF QC =1−QF QC Máquina frigorífica
En una máquina frigorífica deseamos eliminar calor del foco frío para mantener baja su temperatura, enviando dicho calor al foco caliente. Dado que queremos que el calor circule en el sentido contrario al permitido por la termodinámica necesitaremos aportar trabajo desde el exterior para poder forzar el intercambio. Se define así la eficiencia de la máquina como:
ε=QF
W = QF QC−QF
Ciclos termodinámicos
El segundo principio de la termodinámica impide, como ya hemos visto, construir una máquina térmica que trabaje intercambiando calor con un único foco de temperatura. Si queremos construir un motor térmico deberemos llevar a un fluido a la temperatura del foco caliente, donde absorberá QC, expandiremos el gas para producir trabajo y llevarlo a la temperatura del foco frío, donde se
cederá QF y lo volveremos a comprimir para subir su temperatura hasta la del foco caliente y
realizar el proceso de nuevo.
Esta serie de transformaciones termodinámicas que se producen en el fluido (generalmente gas) forman lo que se denomina ciclo termodinámico, en el que el gas es devuelto a su estado inicial de presión, volumen y temperatura al finalizar dicho ciclo.
Como se ha visto antes, en una transformación termodinámica importa tanto las condiciones iniciales y finales del gas como el camino que se ha recorrido entre
ambas. De esta forma, podemos realizar los intercambios de calor y trabajo que definen a una máquina térmica.
En general, un ciclo en el que las líneas que definen las expansiones (que generan trabajo) se encuentran por encima de las de las compresiones (que consumen trabajo) indica que la máquina térmica es un motor. El trabajo neto será el área encerrada por el ciclo, y su signo positivo. Son ciclos que se recorren en el sentido horario.
Por el contrario, un ciclo termodinámico correspondiente a una máquina frigorífica se recorre en sentido antihorario, las compresiones se encuentran por encima de las expansiones y el trabajo neto será negativo.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot nos da el rendimiento máximo teórico que puede tener un motor térmico (o la eficiencia máxima de un frigorífico). Analizaremos en primer lugar el correspondiente a un motor térmico, siendo el correspondiente a una máquina frigorífica estudiado posteriormente.
En él, el fluido que se usa para intercambiar energía es sometido a las siguientes transformaciones:
1-2 Expansión isoterma a la temperatura del foco caliente. Se produce la absorción de calor del foco caliente.
2-3 Expansión adiabática. En ella se produce trabajo y el fluido baja su temperatura hasta igualarse con la del foco frío.
3-4 Compresión isoterma a la temperatura del foco frío. Se produce la cesión de la energía que no ha podido ser transformada en trabajo en forma de calor cedido al foco frío.
4-1 Compresión adiabática para subir la temperatura del fluido a la del foco caliente e iniciar un nuevo ciclo.
Se puede demostrar que el rendimiento de este ciclo se expresa como:
η=1−TF
TC
Recordemos que la temperatura siempre se expresa en escala Kelvin. Esta fórmula indica que el rendimiento teórico máximo de un motor térmico depende de las temperaturas a las que se encuentren los focos, aumentando cuanto mayor sea la diferencia entre ambas. Además, también indica que no podemos tener un rendimiento del 100%, ya que para ello necesitaríamos o bien una temperatura infinita en el foco caliente o de cero absoluto en el foco frío, siendo ambas cosas imposibles.
Motores térmicos
Los motores térmicos se clasifican del siguiente modo:
Motores de combustión externa (máquina de vapor)
En los motores de combustión eterna, el lugar en el que el fluido absorbe el calor del foco caliente (en este caso, una caldera) es diferente al lugar en el que tiene lugar la expansión adiabática que genera trabajo. Si esta expansión se produce en un cilindro tendremos un movimiento lineal alternativo, y si se produce en una turbina un movimiento rotatorio. Los motores alternativos están en desuso peor os rotatorios son los usados en las centrales térmicas para producir electricidad. Este motor funciona según el ciclo de Rankine
La máquina de vapor consta de las siguientes partes:
Caldera: es el recinto donde se recibe el calor generado por la combustión. La combustión del
combustible tiene lugar en un elemento exterior (quemadores) y el agua contenida en la caldera recibe el calor producido
Turbina/Pistón: es el elemento que convierte la energía del vapor en energía mecánica. El
trabajo puede producirse de dos formas:
a) motor alternativo: el vapor empuja el pistón contenido en un cilindro que a su vez acciona un sistema biela-manivela; para que le proceso sea continuo el pistón debe realizar un movimiento alternativo y para ello dispone de un sistema distribuidor que permite
la entrada de vapor por una u otra cara del pistón, empujándolo cada vez en un sentido.
b) motor rotativo el vapor empuja los álabes de una turbina; al chocar con ellos hace girar el eje de la máquina. MotoresTérmicos
{
Combustión externa
{
AlternativosRotatorios
}
Ciclo RankineCombustión interna
{
Alternativos{
Encendido provocado(MEP)
{
4tiempos2tiempos
}
CicloOtto Encendido por compresión(MEC){
4tiempos2tiempos
}
Ciclo Diésel}
Condensador: se trata de un intercambiador de calor en el que el vapor de agua se enfría y vuelve a pasar al estado líquido
Bomba: impulsa el agua a la salida del condensador para que vuelva a la caldera.
El ciclo realizado por la máquina de vapor se denomina ciclo Rankine y consta de las siguientes etapas
1-2 Expansión isobara: corresponde a la entrada de agua
en la caldera y absorbe el calor QC (proporcionado por la
combustión del combustible), transformándose el agua líquida en vapor. Este proceso tiene lugar a presión constante (la presión de la caldera) y se produce un aumento de volumen debido al cambio de fase.
2-3 Expansión adiabática: el vapor sufre una expansión,
produciendo trabajo.
3-4 Compresión isobara: corresponde al paso del vapor por el condensador, donde cede el calor
QF y se transforma de nuevo en líquido, reduciendo su volumen. Este proceso tiene lugar a
presión constante (normalmente la presión atmosférica)
4-1 Transformación isócora: corresponde al paso del
agua líquida desde el condensador a la caldera impulsada por la bomba, iniciando de nuevo el ciclo. Este proceso es isócoro pues el agua líquida no cambia de volumen.
El ciclo de Rankine es ideal, ya que en la práctica, entre otras cosas, no es posible realizar el proceso 3-4.
El ciclo de Rankine real trata de aproximarse al ideal y tiene el aspecto
de la figura adyacente. Antes de la caldera se introduce un precalentador que convierte el agua en vapor (proceso 5-1), de forma que en la caldera entra vapor y se aumenta su temperatura.
El rendimiento del ciclo Rankine se considera como un porcentaje del rendimiento del ciclo de Carnot ideal.
MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUTIÓN INTERNA (4 TIEMPOS)
El motor alternativo transforma la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones (lo más habitual es cuatro). El pistón se desplaza en el interior de un cilindro, realizando un movimiento lineal alternativo; el pistón está conectado a una biela que transmite el movimiento a la manivela del cigüeñal y de esta forma se convierte en movimiento rotativo.
En la parte superior, denominada culata, el cilindro dispone de dos válvulas:
la válvula de admisión (VA) y la válvula de escape (VE). Su movimiento de apertura y cierre está controlado por el árbol de levas, sincronizado con el movimiento del cigüeñal.
El PMS es el punto más alto que alcanza el pistón El PMI es el punto más bajo que alcanza el pistón
La carrera (L o C) es el recorrido del pistón, entre el PMS y el PMI
La cámara de combustión es el volumen encerrado entre la culata y la cara superior del cilindro (cuando el pistón se encuentra en el PMS)
El volumen del cilindro, también llamado volumen unitario, será: Vu= π4 D2L
La cilindrada es el volumen barrido por todos los pistones del motor: cilindrada=n Vu
El volumen que queda en el interior del cilindro cuando el pistón está en el PMS se denomina volumen de combustión (Vc)
La relación de compresión es el cociente entre el volumen del cilindro cuando está en el PMS (Vc , que es el volumen de la cámara de combustión) y el volumen del cilindro cuando el pistón está en el PMI (Vc+Vu , que es el volumen total):
r=Vu+Vc
Según la forma de producirse la ignición del combustible, los motores pueden ser de dos tipos: a) Motor de encendido provocado (MEP): el combustible se mezcla con aire antes de entrar en el cilindro (antiguamente esta mezcla se hacía en el carburador y hoy en día se utilizan sistemas de inyección). El encendido se produce mediante la chispa que suministra una bujía. Utilizan gasolina y siguen en ciclo Otto.
b) Motor de encendido por compresión (MEC): en este tipo de motores solo entra aire en el cilindro y es comprimido fuertemente, elevando la temperatura, de forma que al inyectar el combustible éste se inflama directamente sin necesidad de chispa. Utilizan gasóleo y siguen el ciclo Diesel.
El funcionamiento general del motor de cuatro tiempos se basa en 4 etapas:
PRIMER TIEMPO - ADMISIÓN: El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS)
al punto muerto inferior (PMI); se abre la válvula de admisión y entra en el cilindro la mezcla combustible-aire (en el caso de los Diesel sólo entra aire)
SEGUNDO TIEMPO - COMPRESIÓN: Se cierra la válvula de admisión y el pistón asciende
desde el PMI al PMS comprimiendo el gas del interior del cilindro
TERCER TIEMPO - EXPANSIÓN: Se produce la inflamación del combustible (en el caso del
motor Otto se produce una explosión al saltar una chispa de la bujía, y el motor Diesel se produce una combustión progresiva al introducir el combustible en la cámara de combustión). Los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia el PMI, produciendo trabajo.
CUARTO TIEMPO - ESCAPE: Se abre la válvula de escape y los gases salen al exterior; el
pistón asciende hasta el PMS, empujando al resto de los gases a salir del cilindro. Cuando el pistón llega al PMS se cierra la válvula de escape y se reinicia el proceso.
Sólo se produce trabajo en el tercer tiempo, que es almacenado en un volante de inercia para permitir el movimiento del pistón en los demás tiempos. En cada ciclo el pistón sube y baja dos veces, lo que equivale a dos vueltas del cigüeñal.
a) MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP). CICLO OTTO
0-1: Expansión isóbara: corresponde a la entrada de la mezcla combustible-aire en el cilindro
1-2: Compresión adiabática: corresponde a la compresión de la mezcla, cuando el pistón sube desde PMI a PMS
2-3: Explosión: proceso isócoro que corresponde a la explosión de la mezcla al soltar una chispa la bujía; el proceso se considera instantáneo y no hay cambio de volumen (solo un aumento de P y T).
3-4: Expansión adiabática: el pistón baja hasta PMI empujado por los gases producidos en la combustión.
4-1: Proceso isócoro, correspondiente a la primera fase de escape de los gases en la que salen de forma espontánea al abrirse la válvula de escape
1-0: Compresión adiabática: corresponde a la expulsión del resto de los gases al ser empujados por el pistón cuando sube hasta el PMS
El rendimiento del ciclo Otto es:
η=1− 1
siendo r la relación de compresión volumétrica y γ el coeficiente adiabático (1,33 para la mezcla aire-gasolina)
El primer tiempo corresponde a la etapa 0-1, el segundo tiempo a la etapa 1-2, el tercer tiempo comprende las etapas 2-3 y 3-4, y el cuarto tiempo comprende las etapas 4-1 y 1-0.
b) MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MEC). CICLO DIESEL
0-1: Expansión isóbara: corresponde a la entrada de aire en el cilindro
1-2: Compresión adiabática: corresponde a la compresión del aire, cuando el pistón sube desde PMI a PMS (la relación de compresión es más alta que en el motor tipo Otto)
2-3: Expansión isóbara: se inyecta el combustible y debido a la alta P y T de la cámara de combustión se inflama al entrar en contacto con el aire. No es necesaria la bujía; tampoco se produce una explosión sino una combustión progresiva del combustible.
3-4: Expansión adiabática: el pistón baja hasta PMI empujado por los gases producidos en la combustión.
4-1: Proceso isócora, correspondiente a la primera fase de escape de los gases en la que salen de forma espontánea al abrirse la válvula de escape
1-0: Compresión adiabática: corresponde a la expulsión del resto de los gases al ser empujados por el pistón cuando sube hasta el PMS
El rendimiento del ciclo Diesel es:
siendo: r la relación de compresión volumétrica, rc la relación de combustión (V3/V2) y γ el
coeficiente adiabático (1,44 en el caso del aire)
Al igual que el caso del ciclo Otto, el primer tiempo corresponde a la etapa 0-1, el segundo tiempo a la etapa 1-2, el tercer tiempo comprende las etapas 2-3 y 3-4, y el cuarto tiempo comprende las etapas 4-1 y 1-0
Comparación entre el ciclo Otto y el ciclo Diesel
Si la relación de compresión es la misma, en teoría el rendimiento del ciclo Otto es mejor que el del Diesel, pues el poder calorífico de la gasolina es mayor. Sin embargo, en la práctica la relación de compresión es mayor en el caso del ciclo Diesel y es mejor la relación aire-combustible, por lo cual acaba siendo mejor el rendimiento del ciclo Diesel. Por otro lado, la combustión del gasóleo produce mayor cantidad de agentes contaminantes.
Agentes contaminantes producidos en los motores de combustión
− CO2: debido al proceso de combustión (C+O2CO2+calor); es el principal responsable del
efecto invernadero
− CO: se produce en las combustiones incompletas, cuando hay escasez de O2; es venenoso
− NOX: se generan en la combustión cuando se alcanzan altas temperaturas y presiones; son
responsables de la lluvia ácida
− SOX: se producen por la oxidación del S que contiene el combustible (0,5% gasóleo, 0,15%
gasolina); son responsables de la lluvia ácida
− Hidrocarburos inquemados: se desprenden en las combustiones incompletas; son agentes cancerígenos
− Humos y hollín: residuos sólidos volátiles; causantes de problemas respiratorios Algunas de las posibles soluciones para disminuir la contaminación son:
− mejorar la composición del combustible (reducir el S)
− mejorar el diseño del motor para conseguir una combustión más eficaz
− actuaciones sobre los gases de escape
Los ciclos teóricos difieren de los reales; éstos se obtienen por medición directa y se denominan diagramas indicados.
MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUTIÓN INTERNA (2 TIEMPOS)
El ciclo se realiza en solo dos carreras del pistón. No dispone de válvulas, y la entrada y salida de gases y combustible se realiza por las lumbreras; se trata de unos orificios situados en la pared del cilindro, que son descubiertos y cerrados por el propio pistón al desplazarse.
Primer tiempo: cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación del combustible;
las gases producidos se expanden y empujan el pistón; éste, al bajar, abre la lumbrera de
escape, por donde salen los gases. A medida que el pistón baja hasta el PMI comprime la
mezcla combustible y se abre la comunicación del cilindro con el cárter a través de la
lumbrera de carga, permitiendo que la mezcla entre en el cilindro.
Segundo tiempo: el pistón sube desde el PMI hasta el PMS, comprimiendo la mezcla
combustible y cerrando la lumbrera de escape y la comunicación del cilindro con el cárter; al mismo tiempo, al subir el pistón, abre la lumbrera de admisión, permitiendo la entrada de la mezcla combustible en el cárter
En este caso el pistón sube y baja una vez en cada ciclo, de forma que el cigüeñal da media vuelta en cada carrera.
TURBINA DE GAS. CICLO BRAYTON
La turbina de gas consta de tres partes:
Compresor: aspira aire del exterior, a presión atmosférica y temperatura ambiente, que es
fuertemente comprimido
Cámara de combustión: cuando el aire comprimido entra en la cámara de combustión se
inyecta el combustible, produciéndose la inflamación del mismo
Turbina: los gases producidos en la combustión se expanden, aumentando el volumen y
disminuyendo la temperatura. En esta fase se produce trabajo.
Las turbinas de gas son utilizadas en aviación. Hay dos diseños básicos:
a) Turbo-reactor: los gases producidos salen a gran velocidad por la tobera, produciendo el empuje de la máquina por efecto de acción-reacción
b) Turbo-hélice: los gases producidos empujan la turbina conectada a una hélice; en este caso se produce un pequeño efecto de acción-reacción y el impulso de la máquina es producido sobre todo por la tracción de la hélice.
En ambos casos parte de la fuerza de los gases se emplea para accionar el compresor.
El ciclo realizado por la turbina de gas se denomina ciclo Brayton y consta de tres etapas
A-B Compresión adiabática: corresponde a la compresión del aire en el compresor,
produciéndose un notable aumento de presión y temperatura
B-C Expansión isobara: corresponde a la inyección del combustible y su inmediata
inflamación en la cámara de combustión; el proceso tiene lugar a presión constante, se produce un aumento de volumen y se absorbe el calor QC
C-D Expansión adiabática: los gases producto de la combustión se expanden en la turbina,
disminuyendo la presión y la temperatura
EL ciclo Brayton es un ciclo abierto: el aire se aspira de la atmósfera y los gases se expulsan a la atmósfera; los gases ceden el calor QF directamente a la atmósfera.
El rendimiento del ciclo Brayton es:
siendo: r la relación entre la presión a la salida y a la entrada del compresor y γ el coeficiente adiabático
MÁQUINA FRIGORÍFICA
La refrigeración consiste en conseguir que un recinto se mantenga a una temperatura inferior a la del entorno. Para conseguir esto la máquina frigorífica toma calor QF de una fuente fría (foco
frío, a la temperatura TF) y cede calor QC a otra
fuente caliente (foco caliente a la temperatura TC);
Dado que que queremos que el calor fluya en el sentido prohibido por la termodinámica (de foco frío a foco caliente) necesitaremos aportar una energía externa en forma de trabajo W para forzar dicho flujo.
En las máquinas frigoríficas no se habla de rendimiento sino que se define la eficiencia (ε) o
coeficiente de operación (COP): relaciona el calor extraído del foco frío y el trabajo necesario
ε=QF
W = QF
QC−QF
Los sistemas de refrigeración de vapor constan de los siguientes elementos básicos:
Compresor: toma el fluido refrigerante en
estado vapor a baja presión y lo comprime, aumentando su presión, para lo cual es necesario la realización de trabajo W. En la compresión se lleva al líquido a la temperatura del foco caliente.
Condensador: es un intercambiador de calor en
contacto con el exterior. Al recibir el vapor a alta presión procedente del compresor, el fluido cambia de fase y pasa a estado líquido, cediendo el calor latente al exterior (Qc)
Válvula de expansión: recibe el líquido procedente del condensador y disminuye su
presión. Así bajamos la temperatura del fluido refrigerante hasta la del foco frío. Se puede sustituir las válvula de expansión por una turbina. En este caso, obtendremos trabajo mecánico que puede ser usado para mover el compresor, disminuyendo así la energía en forma de trabajo que debemos aportar desde el exterior para comprimir el fluido refrigerante. De esta forma se aumenta la eficiencia de la máquina frigorífica.
Evaporador: es un intercambiador de calor en contacto con el recinto a refrigerar. Al recibir
el líquido refrigerante a baja presión, el fluido cambia de fase y pasa a estado vapor; para ello absorbe el calor latente (QF) procedente del recinto a refrigerar (al perder QF baja su
temperatura).
La máquina frigorífica ideal realiza un ciclo de Carnot inverso que consta de cuatro etapas:
1-2: Compresión adiabática: se comprime el vapor aumentando la presión (de P1 a P2) y la temperatura (de TF a
TC) mientras disminuye el volumen (de V1 a V2); para ello se
consume el trabajo W. Corresponde al proceso que tiene lugar en el compresor.
fase, cediéndose QC; en este proceso se produce una disminución de volumen (de V2 a V3) y un
aumento de presión (de P2 a P3). Corresponde al proceso que tiene lugar en el condensador.
3-4: Expansión adiabática: el líquido se expande, disminuyendo la presión (de P3 a P4) y la
temperatura (de TC a TF), mientras en volumen aumenta (de V3 a V4). Corresponde al proceso que
tiene lugar en la válvula de expansión
4-1: Expansión isoterma (a TF): se produce el cambio de fase, absorbiéndose QF; en este proceso se
produce un aumento de volumen (de V4 a V1) y una disminución de presión (de P4 a P1).
Corresponde al proceso que tiene lugar en el evaporador.
Si se sustituyen los datos de las transformaciones en la expresión para calcular la eficiencia de la máquina frigorífica, la eficiencia del ciclo de Carnot inverso resulta ser:
ε= TF
TC−TF
La eficiencia depende solo de las temperaturas del foco frío y del foco caliente. Características del fluido refrigerante:
Los fluidos refrigerantes también reciben el nombre de criogénicos y deben tener las siguientes características:
− calor latente de vaporización muy alto
− presión de evaporación alta (superior a la atmosférica)
− calor específico en estado líquido muy pequeño
− no deben reaccionar con otros fluidos presentes en la instalación
Casi todos los compuestos refrigerantes son derivados del freón; en la actualidad está prohibida la utilización de compuestos de cloro en instalaciones nuevas.
BOMBA DE CALOR
Es semejante a una máquina frigorífica con la particularidad de que los focos fríos y calientes son intercambiables. De esta forma puede funcionar como sistema de refrigeración o de calefacción:
− En verano el foco frío es el interior y el foco caliente el exterior de la vivienda; se consume trabajo para refrigerar el interior (pasar calor del interior al exterior)
− En invierno el foco frío es el exterior y el caliente el interior de la vivienda; se consume trabajo para calentar el interior (pasar calor del exterior al interior)
Para conseguir este funcionamiento se intercambian los papeles del condensador y del evaporador. a) Bomba de calor funcionando como sistema de
refrigeración
El fluido se condensa en el intercambiador de calor situado en el exterior del recinto, cediendo calor QC al exterior, y se
evapora en el intercambiador de calor del interior, extrayendo calor QF del interior del recinto (y refrigerando
así el recinto).
εrefrig= TF
TC−TF
a) Bomba de calor funcionando como sistema de calefacción
El fluido se evapora en el intercambiador de calor situado en el exterior del recinto, absorbiendo el calor QF, y se condensa en el intercambiador de calor del
interior, cediendo el calor QC (y calentando así el
recinto).
En este caso, la eficiencia la definiremos como el cociente entre lo que deseamos maximizar (el aporte de calor al foco caliente) entre lo que queremos minimizar (el trabajo aportado desde el exterior). Suponiendo que funciona según un ciclo de Carnot inverso tendremos:
εcalefac=QC
W = TC