61280668 Termodinamica Isidoro Martinez Termodinamica Basica y Aplicada
termodinamica
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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular de la Educación Superior Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado “Luis Caballero Mejías” Departamento de Mecánica Termodinámica Nombre: Hamilton Sotero Exp: 200510659
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular de la Educación Superior
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”
Vicerrectorado “Luis Caballero Mejías”
Departamento de Mecánica
Termodinámica
Nombre:
Hamilton Sotero Exp: 200510659
INTRODUCCIÓN
La finalidad de este trabajo es conocer lo que es una bomba de calor,
banco de vapor, generador de vapor, turbina de gas, motores Otto y diesel
calorímetro adiabático , torre de enfriamiento, aire acondicionado, compresor
alternativo y por ultimo intercambiador de calor, conceptos, clasificación,
estudiamos los procesos que intervienen en cada uno ellos.
Al mismo tiempo mencionamos los beneficios que tienen en la actualidad, y
cada día vamos avanzando en su tecnología.
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BOMBAS DE CALOR
Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en
forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción
es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica (es
cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía
tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico),
según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro
frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan.
Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza principalmente por
medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya
particularidad radica en una Válvula inversora de ciclo que forma parte del
sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el
condensador en evaporador y viceversa.
ORIGEN
El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor no es reciente. Sus
orígenes provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de
ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas
evolucionaba cíclicamente, era comprimido y posteriormente expansionado,
obteniendo frío y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en
aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin
embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y calor
simultáneamente no se aprovecharon.
Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la
construcción de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que
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hacía que ésta no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefacción
a base de carbón, fuel-oíl o gas, que presentaban una clara ventaja en relación
con sus costes. Por ejemplo, en 1965, en Estados Unidos, sólo las Bombas de
Calor con un COP superior a 5 conseguían acercarse a los costes del combustible
más caro, que en esos años era el gas ciudad.
A finales de los años cincuenta se inició la expansión de la Bomba de Calor en
Estados Unidos y su producción en serie, con la siguiente evolución en el número
de ventas: 1954 (2.000 unidades), 1957 (10.000 unidades), 1963 (76.000
unidades).
En Europa no se inicia su comercialización hasta 1970. Así, en 1973 se vendieron
en Francia 600 Bombas de Calor de tipo doméstico y 7.000 unidades en 1977. En
España en 1980, del orden de 2.500 unidades. En 1968 se realizó la primera
instalación con Bomba de Calor a gas en Europa, en una pista polideportiva
holandesa. La crisis del petróleo y el alza de los precios de los combustibles a
partir de 1973, impulsó las investigaciones en nuevos equipos de alta eficiencia,
además de cambiar el posicionamiento de los costes de calefacción, situación que
benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.
A lo largo de estos años además de los cambios coyunturales que han propiciado
el aumento de las ventas, las Bombas de Calor han tenido una evolución positiva
desde el punto de vista tecnológico.
En un principio, el desarrollo se centró en equipos reversibles aire-aire. El fin
principal de estas bombas era la refrigeración, en consecuencia el diseño estaba
orientado a las condiciones del ciclo para obtener frío en verano. Por esta razón
existían una serie de defectos de la máquina al funcionar para dar calefacción, que
hoy en día se encuentran superados gracias al desarrollo de los compresores y a
la introducción de la electrónica para el control de des escarche.
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Estos defectos eran:
Fallos del compresor por golpes de líquido, falta de engrase o sobrecarga
del motor de accionamiento
Formación de hielo en el evaporador
Potencia calorífica baja.
Costes de explotación superiores a los previstos
CLASIFICACIÓN
Las Bombas de Calor se pueden clasificar según diferentes criterios. A
continuación se muestran algunos de los más utilizados.
1. Según el Tipo de Proceso
Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un
motor eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.
Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de
absorción), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas
elevadas.
Bombas de Calor electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.
En las Bombas de Calor de compresión, la elevación de presión y temperatura
entre evaporador y condensador se logra mediante compresión mecánica del
vapor. En el ciclo de absorción este efecto se logra mediante un circuito de
absorción. Por otra parte la compresión mecánica se puede realizar mediante un
compresor accionado por un motor eléctrico en las bombas con motor eléctrico, o
bien por un compresor accionado por un motor de combustión de gas, en las
Bombas de Calor de motor de gas.
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2. Según el medio de origen y destino de la energía
Esta clasificación es la más utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante
dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío)
y la segunda al medio receptor (foco caliente)
Medio del que extrae la energía
Medio al que se cede energía
Según medio de origen y de destino de la energía
AIRE AIRE
AIRE AGUA
AGUA AIRE
AGUA AGUA
TIERRA AIRE
TIERRA AGUA
Bombas de calor aire-aire: Son las más utilizadas, principalmente en
climatización.
Bombas de calor aire-agua: Se utilizan para producir agua fría para
refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida
en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos
rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior,
debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua a lo largo del
año.
Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los
emisores son radiadores a baja temperatura, fan-coils o suelo radiante.
Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido
en el terreno. Son instalaciones poco habituales, debido a su coste y a
la necesidad de disponer de grandes superficies de terreno.
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3. Según construcción
Por la forma de construir la máquina, ésta puede ser:
Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se
encuentran alojados dentro de una misma carcasa.
Split o partidas: Están constituidas por dos unidades separadas. Una
exterior donde se aloja el compresor y la válvula de expansión y una unidad
interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local.
Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades
interiores.
4. Según funcionamiento
Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en
ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido frigorífico
gracias a una válvula de 4 vías.
No reversibles: Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.
Termofrigobombas: Producen simultáneamente frío y calor.
FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA DE CALOR
Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante
con un bajo punto de ebullición. Éste requiere energía (denominada calor latente)
para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor.
El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un
compresor, el que eleva su presión aumentando así su energía interna. Éste, al
pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco
caliente porque está aún más caliente que éste, donde cambia su estado a líquido.
Después se le hace pasar por una válvula de expansión, donde recupera la
presión inicial y se enfría bruscamente. Luego pasa por otro intercambiador de
calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío, puesto que está más frío
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que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado, regresa al compresor, cerrándose
el ciclo.
La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la
salida (descarga) del compresor y, según la temperatura del medio a climatizar
(censada en la presión de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el
flujo del refrigerante.
BOMBAS DE CALOR
1. Bomba de calor de compresión mecánica
La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de
compresión de un fluido condensable. Sus principales componentes son:
Compresor
Válvula de expansión
Condensador
Evaporador
Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido
refrigerante.
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BOMBA DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA ACCIONADA POR MOTOR ELÉCTRICO
El ciclo se desarrolla en las siguientes etapas:
En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por
debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera
el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación
de éste.
En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando
su presión y temperatura.
El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido
cede el calor de condensación al medio.
Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador
se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y
temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el
ciclo accediendo al evaporador.
Bombas de calor eléctricas: En este tipo de bombas el compresor es accionado
por un motor eléctrico.
Bomba de calor con motor térmico: El compresor es accionado mediante un
motor de combustión, alimentado con gas o con un combustible líquido. Las más
extendidas son las Bombas de Calor con motor de gas.
1. Bomba de calor con motor de gas (Reversibles) son capaces de
proporcionar calefacción y refrigeración. Las Bombas de Calor reversibles
incorporan una válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación del
fluido frigorífico.
De esta forma:
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Se bombea calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefacción.
Se bombea calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.
El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente:
Ciclo de calefacción:
El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico.
En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calefactar, el fluido
cede al aire del recinto el calor de su condensación.
El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la
válvula de expansión reduciendo su presión y temperatura, evaporándose
en parte.
En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su
evaporación absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor a
través de una válvula de cuatro vías.
Ciclo de refrigeración:
El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico siguiendo
su camino a través de la válvula de 4 vías.
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En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo
su calor al medio exterior.
El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de
expansión reduciendo su presión y evaporándose en parte.
En el intercambiador , situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido
frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio interior
CICLOS DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN
2. Bomba de Calor de Absorción
Las Bombas de Calor de absorción son accionadas térmicamente, esto quiere
decir que la energía aportada al ciclo es térmica en vez de mecánica como en el
caso del ciclo de compresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de
ciertas sales y líquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos más
utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinación con
bromuro de litio como absorbente, o bien el amoníaco como refrigerante utilizando
agua como absorbente.
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Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se
sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma función
que éste, es decir, eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico en estado
vapor. El circuito de disoluciones, consiste en un absorbedor, una bomba que
impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión. El vapor a baja
presión procedente del evaporador es absorbido por el fluido absorbente en el
absorbedor. El proceso de absorción genera calor. La disolución es bombeada a
mayor presión accediendo al generador, donde el fluido refrigerante entra en
ebullición gracias a un calor que se aporta desde el exterior. El refrigerante es
entonces condensado, separándose del absorbedor. El refrigerante pasa a través
del condensador mientras que el absorbente es conducido al absorbedor.
Se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el
absorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura, y en
la bomba energía mecánica.
FOCOS
La Bomba de Calor extrae energía de un medio. Mediante el trabajo externo
aportado, esta energía es cedida a otro. El medio del que se extrae la energía se
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llama foco frío y el medio al que se cede se llama foco caliente. En el siguiente
esquema se presentan algunos focos entre los que se puede bombear calor
a. Focos Fríos
Un foco frío ideal es aquel que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo
de la estación en que es necesario calefactar, está disponible en abundancia, no
es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinámicas favorables, y no
requiere costes elevados de inversión o mantenimiento.
En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de las fuentes de calor
normalmente utilizadas:
Fuente de calor o foco frío Rango de temperaturas (ºC)
Aire ambienteAire de extracciónAgua subterráneaAgua de lagos o ríosAgua de marSuelosSubsueloAguas residuales y de procesos
-10 / 1515 / 25
4 / 100 / 10
3 / 80 / 5
0 / 10>10
Aire Atmosférico
Su utilización presenta problemas de formación de escarcha. Este problema se
resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto
adicional de energía. La temperatura debe ser superior a -5ºC para que el COP
resulte interesante. Para temperaturas por encima de 5ºC no es necesario el des
escarche.
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Aire de extracción
Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales. La
Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción.
Existen sistemas diseñados para trabajar con una combinación de aire natural y
de aire de extracción en función de las necesidades.
Aguas naturales
Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas o
del mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada y no presenta
problemas de des escarche. La temperatura del agua del mar a cierta profundidad
(25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos en el
exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC. Cuando se utiliza
agua del mar hay que prever problemas de corrosión y de proliferación de algas
en la superficie del intercambiador.
Energía solar
Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, en
combinación con la Bomba de Calor.
Energía geotérmica del suelo y subsuelo
Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas
no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire
exterior. Para aprovechar la energía del suelo es necesario un sistema de
tuberías. Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una gran
superficie de terreno.
Energías residuales y procedentes de procesos
Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para
enfriar procesos de la industria o de los condensadores de producción de energía
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eléctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes con una temperatura constante a lo
largo del año. Los principales problemas para su utilización son: La distancia al
usuario, la variabilidad del caudal y en el caso de aguas residuales la corrosión y
obstrucción del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en
las mismas.
b. Focos calientes
Aire
El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la habitación por la unidad interior o es forzado a través de un sistema de conductos.
Agua
Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria y procesos industriales. A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores especialmente diseñados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils, que funcionan a temperaturas de 45-55ºC.En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de distribución de agua y aire para las diferentes aplicaciones de calefacción:
AplicaciónTemperatura de distribución (ºC)
Distribución de aire para calefacción Distribución de agua para calefacción:- Calefacción a través del suelo- Fan-coils- Radiadores convencionales
Calefacción de distrito:- Agua caliente- Agua caliente-vapor
30-5030-4545-5560-90
70-100100-180
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ELEMENTOS COMPONENTES
Para que el fluido refrigerante evolucione según los ciclos anteriormente
expuestos son necesarios los elementos que a continuación se explican
Compresor
Su misión es elevar la presión del vapor refrigerante desde una presión de
aspiración a una presión de descarga más alta. Se pueden clasificar en dos
grandes grupos: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que
pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrífugos. En cuanto al
acoplamiento motor-compresor pueden ser:
Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan
en el montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje.
Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor
generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el
rendimiento es superior al de los abiertos.
Herméticos: El motor y el compresor, además de compartir el eje, se alojan
en la misma envolvente, con lo que la recuperación del calor generada en el
motor es mayor.
En las Bombas de Calor eléctricas se utilizan compresores herméticos para
potencias inferiores a 60-70 Kw, para potencias superiores, (normalmente Bombas
de Calor aire-agua) se utilizan compresores Semiherméticos.
Únicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en
equipos de serie.
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En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es
abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagnético que
permite la regulación de la potencia en función de la demanda térmica.
Las Bombas de Calor con motor de gas disponibles actualmente en el mercado
suelen disponer de un motor de 4 tiempos que acciona un compresor alternativo
abierto
COEFICIENTES DE PRESTACIÓN
Se define el coeficiente de prestación de una Bomba de Calor COP (Coefficient of
performance) como el cociente entre la energía térmica cedida por el sistema y la
energía de tipo convencional absorbida.
COP teórico
En un ciclo ideal de Carnot:
Siendo
T1: Temperatura absoluta del foco calienteT2: Temperatura absoluta del foco frío
COP práctico
alpha es un coeficiente de rendimiento que tiene en cuenta que el ciclo real no se
desarrolla en condiciones perfectas de isoentropicidad, (los procesos son
irreversibles y no perfectamente adiabáticos). Este coeficiente oscila entre 0,3, en
máquinas pequeñas, hasta 0,65 en las de gran potencia.
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Tf2 y Tf1 son respectivamente las temperaturas absolutas de evaporación y
condensación del fluido refrigerante.
Para que la transmisión de calor entre el fluido refrigerante y un foco frío tenga
lugar, es necesario que Tf2 sea inferior a T2. De la misma manera, para que el
fluido refrigerante ceda calor al foco caliente, Tf1 debe ser superior a la
temperatura del foco caliente T1
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GENERADOR DE VAPOR
Un generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la
energía química, se transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en
las turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con
energía suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine
modificado.
Los generadores de vapor se diferencian de las calderas por ser mucho más
grandes y complicados.
Partes de un generador de vapor
Economizador
Sobrecalentado
Recalentador
Precalentado de aire regenerativo
Hogar (caldera)
El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la
conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de
potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la
eficiencia termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos
focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés
William John Macquorn Rankine.
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EL PROCESO DEL CICLO
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso
termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de
trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien
existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos
Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es
producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina
donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje,
solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la
electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina
se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al
estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de
refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una
bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a
introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como
por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina,
recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación
a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales
termo solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores
cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de
centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales
fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían
los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.
Diagrama T-s del ciclo
El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.
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El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal
está formado por cuatro procesos: dos
isoentrópicos y dos isóbaros. La bomba y la
turbina son los equipos que operan según
procesos isoentrópicos (adiabáticos e
internamente reversibles). La caldera y el
condensador operan sin pérdidas de carga y
por tanto sin caídas de presión. Los
estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el
diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o
vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que
tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):
•Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la
presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina
de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
•Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo
hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el
estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de
calor), idealmente sin pérdidas de carga.
•Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida
mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la
presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
•Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante
en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta
la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y
finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta
presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia
neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero
ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
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En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la
bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera
presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento
térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado
de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un
papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento.
El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el
condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción
de rendimiento del ciclo.
En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine
ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene
en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un
compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente
unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se
produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o
combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que
los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas
natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de
ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su
configuración más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que
abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine
(sustituyendo a la caldera).
VARIABLES
Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)
Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de
tiempo)
Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el
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ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)
, , , Entalpías específicas de los estados principales del ciclo
ECUACIONES
Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y
del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la
eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la
relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.
Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo que nos
permite conocer los flujos másicos de refrigerante y gasto de combustible
respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad
del ciclo y energía perdida.
MEJORAS DEL CICLO RANKINE
La idea para mejorar un ciclo Rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2,
es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma
habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o
nucleares) son:
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1. Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye
automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la
turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad
del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina.
2. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la
presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el
rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad
excesiva que aparece.
3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar
el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene
como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está
limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.
4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es,
tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento
mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales
nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los
cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de
alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no
suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable
frente a la complicación técnica que conllevan.
CICLO RANKINE REGENERATIVO
En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto.
Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el
cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura
intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador una proviene de una
extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansión
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total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una
bomba después del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que
ha sufrido la expansión completa a la de la extracción. En esta variación del ciclo
de Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del
rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado
también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la
turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a la
instalación una bomba más y un mezclador de flujos.
TURBINAS DE GAS
Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un
flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la
que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se
transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es
aprovechada por un generador para producir electricidad. Al pasar por las toberas
de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su
velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la
turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una
turbina de vapor posee más de un conjunto tobera−álabe (o etapa), para aumentar
la velocidad del vapor de manera gradual.
Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura
posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un
número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos
puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la
unidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El
rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte
móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje
sino a la carcasa de la turbina.
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El Éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de
la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a
vapor de vaivén desarrollada por el inventor e ingeniero escocés
James Watt utilizaban la presión del vapor, la turbina consigue mejores
rendimientos al utilizar también la energía cinética de este. La turbina puede ser
más pequeña, más ligera y más barata que una maquina de vapor de vaivén de la
misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las maquinas de
vapor convencionales.
Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir
directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro
medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de
ello, la turbina de vapor a remplazado a las maquinas de vaivén en las centrales
generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de
propulsión a chorro.
La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el
resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de
los participantes más notables en este desarrollo fueron el Británico Charles
Algernon Parsons fue responsable del denominado principio de escalones,
mediante el cual el vapor se expandía en varias fases aprovechándose su energía
en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas
adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor
.
CLASIFICACIÓN
Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1
HP (0.75 Kw.) Usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo
accionado por flecha, hasta turbinas de 2, 000,000 HP (1,500,000 Kw.) Utilizadas
para generar electricidad.
Existen diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas.
Se distinguen dos tipos de turbinas: de acción o de reacción. La forma más
sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de acción, en la que los
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chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la carcaza de la turbina, y
las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje
central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Estas
absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace
girar la rueda y con ella el eje al que esta unida. La turbina esta diseñada de forma
que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una
serie de boquillas hasta que a perdido la mayor parte de su energía interna.
En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración
del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas
unas móviles y otras fijas. Las palas esta colocadas de forma que cada par actúa
como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las
palas de las turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una
rueda, el tambor actúa como eje de la turbina.
Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de
turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se
convierte en energía cinética, una parte de la energía térmica del vapor.Si se
hiciera toda la conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la
velocidad rotatoria de la rueda seria excesiva. Por lo general se utilizan mas
escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de acción. Se puede
comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina
de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo.
Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto
grado la reacción al principio del recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea
eficaz. Muchas de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control
de acción, lo que reduce él número de escalones necesarios.
A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es
necesario aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las
cuales pasa el vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se
consigue alargando las palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del
tambor o la rueda a la que están acopladas las palas. También se agregan dos o
más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto, una turbina
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industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño
en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de
salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro
rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones
de baja presión y flujo doble.
Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una
sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares
para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de
empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los
cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la
turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con
válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas
produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se
suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en
sentido opuesto al del vapor.
La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es
alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las
turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes,
con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar
en movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La
eficiencia termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho
menor, dada la pérdida de energía del vapor que sale de la turbina.
Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de
recalentamiento, extracción e inducción. Las turbinas de no−condensación o de
contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en
procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para
satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran
comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de
desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a
baja presión.
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Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de
potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado,
generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la
atmosférica hacia un condensador.
Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente
en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de
vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera
donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de
presión intermedia de la turbina y continúa su expansión.
Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En
una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado
en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de
agua para mejorar la eficiencia del ciclo.
Los fluidos extraídos pueden ser controlados mediante una válvula o
pueden no controlarse. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión
en una etapa intermedia para producir potencia adicional.
TURBINA DE VAPOR PARA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas
de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:
Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de
la turbina.
Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y
transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico.
Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina.
Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del
condensador
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Componentes básicos de una central termoeléctrica
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS
Las primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por
Laval hace mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del
vapor para impulsar un rotor que tenia
una serie de paletas sobrepuestas sobre
su superficie mientras que el vapor era
acelerado y guiado a través de un
Boquerel. Posteriormente con el fin de
mejorar su primer diseño, se colocaron
varios Boquereles, tratando de cubrir en
mejor forma el rotor.
En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para
recuperarlo se ideo una carcaza para así poderlo guiar hacia un condensador, a
su vez fue necesario variar la posición de
las paletas en el rotor, ubicándolas en la
periferia del mismo para darle sentido
axial, al vapor y además el Boquerel vario
su forma circular a arco de corona
circular, llamándose ahora, alabes de
tobera o simplemente estator. Las paletas
de rotor se conocen actualmente como alabes móviles.
Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de
funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa
directamente sobre los alabes del rotor.
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PARTES CONSTITUIDAS DE UNA TURBINA
Las turbinas de vapor están constituidas por dos partes principales; la parte
giratoria− el rotor y la parte estacionaria− el estator. El estator (cilindro), está
constituido por pedestales, cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y
en ocasiones por el sistema de distribución de vapor y por el condensador.
Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores.
Los cilindros de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre
sí por la unión horizontal y apretada mediante tornillos y espárragos. Para
garantizar la coincidencia plena de ambas mitades, en la unión horizontal Se
practican orificios guías con espárragos especialmente construidos para ello.
Las turbinas que se construyen con parámetros de vapor vivo, que superan
las 90 atm. y los 500° C y que poseen cilindros de alta y media presión con
recalentamiento intermedio, normalmente están construidos con cilindros
interiores. Los cilindros interiores también son unidos por la unión horizontal.
Las turbinas que se construyen con cilindros interiores tienen la ventaja de
disminuir las tensiones térmicas e hidráulicas que sufre el metal del cilindro y
como consecuencia el espesor de las bridas de la unión horizontal y, además,
facilitar la aceleración del arranque con un calentamiento más uniforme.
Dentro del cilindro están maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y
sellos. Algunos cilindros como los de las máquinas de reacción tienen ranuras
para insertar los alabes estacionarios y otros cilindros por razones tecnológicas
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tienen cargadores que agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el
espacio y ubicar las extracciones de forma más compacta, también disminuye
considerablemente la cantidad de tornillos lo que agiliza el mantenimiento.
Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las pérdidas entre los pasos y
para evitar la penetración del aire en el cilindro sometido al vacío se construyen
sistemas de empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el
exterior del cilindro se llaman estufas.
TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS)
Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar
dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario
instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de
elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue
desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal razón a ésta turbina se le denomina
comúnmente como turbina Curtís. La admisión del vapor es parcial, es decir que
únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben
vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor
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Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o Curtis
TURBINAS CON ETAPAS DE PRESIÓN
Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas
de la turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en
medio de las etapas.
Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de
turbinas, la turbina Rateau y la de Reacción.
TURBINAS RATEAU:
En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos
que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un
incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes
móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos
transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo
árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el
vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan
generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval
o Curtis. En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas
Laval o Curtis, lo cual permite lograr una mayor vida de la misma, su
inconveniente es que el árbol debe ser robusto, debido a su gran longitud. Su
nombre se debe a su inventor. Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como
tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra.
TURBINAS DE REACCIÓN (PARSONS):
Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran numero de etapas (entre 15
y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes
fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al
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gran numero de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía
cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau,
los regímenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número
de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están
montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es
usada para mover generadores de gran potencia.
En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se
construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes
tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial,
que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se
instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas
presiones, se instalan etapas tipo Parson.
Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las
etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor
pasa por una zona o compartimiento de la carcaza de la turbina llamado escalón
de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los
alabes, se realice.
MOTORES OTTO Y DIESEL
MOTOR DE GASOLINA
El motor tipo Otto se utiliza como máquina motriz de los automóviles y de
las motocicletas pesantes. En este caso, suelen ser de gasolina, ya que los diesel
presentan algunas variantes en cuanto a ciclos, potencia producida y rendimiento;
como idea básica del funcionamiento se puede aplicar a todo tipo de motores
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endotérmicos alternativos. El ciclo es un conjunto de fenómenos en serie después
de los cuales se vuelve otra vez a las condiciones iniciales.
Ciclo de cuatro tiempos: por analogía, en un motor endotérmico alternativo el ciclo
comportara un conjunto de operaciones que, una vez realizadas, nos remitirán a
las condiciones iniciales, de manera que se permita la creación del ciclo siguiente
y se obtenga así un funcionamiento continuo. Un ciclo de trabajo se desenvolupa
en dos vueltas del cigüeñal del motor.
ELEMENTOS DE UN MOTOR DE 4 TIEMPOS.
El combustible: gasolina+aire. Esta mezcla se realiza fuera del cilindro en el
carburador.
Elemento de ignición: bujía. Es la que produce la chispa que permite la
combustión.
El pistón: es el elemento mecánico que se mueve con movimiento rectilíneo
alternativo gracias a los gases que se hallan dentro del cilindro.
El cilindro: es el espacio donde se encuentra el pistón, y donde se realiza el
proceso de combustión.
La biela y el cigüeñal: son los mecanismos que transforman el movimiento
rectilíneo del pistón en circular. El cigüeñal va conectado al eje del cigüeñal.
Las válvulas: de admisión y de escape son las que controlan la entrada de
aire más gasolina y la salida de los gases de la combustión. La obertura y
cierre de las válvulas se controla por otro eje denominado eje delevas.
POTENCIA Y RENDIMIENTO
La potencia se calcula a partir del trabajo según muestra la expresión Pi=Wi·n
La potencia efectiva en la salida del motor es rendimiento mecánico = Pe/Pi =
(Pe/m·Hc)/(Pi/m·Hc)
Rendimiento indicado es igual al trabajo indicado / calor indicado
Factores: temperatura exterior, régimen de giro, poder calorífico del combustible y
grado de admisión.
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CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DIESEL
Son análogas a los de explosión. Carece de bujías y se incorporan
inyectores de combustible. Debido a las grandes presiones con los que trabaja
requieren una construcción más robusta con un mayor dimensionado de cilindros y
órganos móviles lo que les hace aptos para trabajos duro. Debido a las mayores
temperaturas y presiones que tienen que soportar estos motores necesitan una
refrigeración muy eficaz y una mayor calidad en los aceites de engrase.
CLASIFICACIÓN
Según aplicación y régimen de funcionamiento en:
Rápidos 2000 a 4000 rpm. Se usa en vehículos de tracción con cilindradas
medias.
Medios 1000 a 1500 rpm. Navegación y ferrocarriles. Cilindradas media−alta.
Utilizan petróleo y gasóleos medios.
Lentos 200 a 500 rpm. Motores estacionarios en centrales eléctricas y utilizan
como combustibles aceites pesados.
Según el ciclo de funcionamiento estos motores se clasifican en motores de 4T, 2T
y semidiesel o de culata incandescente.
MOTOR DIESEL 2T
Es similar al de explosión de 2T en cuanto a su forma y funcionamiento,
pero al ser diesel la alimentación y combustión se realiza comprimiendo aire
energía inyectando combustible al finalizar la combustión. Trabaja en un ciclo de
2T con dos carreras alternativas de su embolo que se transforman en un giro de
360º. El llenado del cilindro no se realiza por pre comprensión en el Carter como
en el de explosión 2T, sino introduciendo directamente el aire en el cilindro a
través de la lumbrera de admisión situada a la altura de la de escape, ambas
próximas al PMI. Debido a esta forma de llenado y al poco tiempo que se dispone
para el evacuado de los gases residuales, el barrido es muy deficiente. Para
mejorarlo se necesita acoplar un sistema de bomba que introduce y acelere la
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entrada de aire a presión que facilite el arrastre de los gases residuales fuera del
cilindro y que efectúe el llenado con una carga de aire lo más pura posible. En
este motor al efectuar el barrido de los gases quemados solo con aire no se
desperdicia combustible por lo que su consumo es inferior al de gasolina.
Además tiene más rendimiento térmico debido al mayor grado de
compresión con que trabaja. Sin embargo como ocurre con el 4T diesel las cargas
de trabajo son mayores lo que exige elementos más robustos que hacen disminuir
su velocidad de régimen, por esta razón no pueden nunca desplazar al motor de
explosión ligero y rápido en aplicaciones de automoción.
COMPARACIÓN CON EL 4T DIESEL
Con respecto al 4T diesel y en mimas condiciones de llenado, el 2t da mayor
potencia porque gira a doble numero de revoluciones sin embargo por su forma de
llenado y evacuado de gases el rendimiento es inferior al 4T, siendo
imprescindible un buen barrido de gases cuestión difícil de conseguir con un motor
rápido de que dispone para realizarlo, por eso solo se emplea en motores
estacionarios y marinos por su sencillez constructiva de elementos de distribución
y otros auxiliares. Resultan más económicos sobre todo los modelos lentos y
medios donde se pueden efectuar un buen barrido de gases. La potencia útil de
estos motores es grande aunque necesitan parte de ella para mover la bomba de
barrido.
FUNCIONAMIENTO DEL 2T DIESEL
1º tiempo compresión: el embolo se desplaza del P.M.I. al P.M.S. efectuando su 1ª
carrera ascendente y un giro de 180º. Al subir el pistón cierra las lumbreras de
admisión y escape y comienza la compresión del aire q termina cuando el pistón
llega al P.M.S. 2º tiempo expansión: cuando el embolo esta en el P.M.S. y el aire
se halla comprimido se produce la inyección del combustible. Este en contacto con
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el aire se inflama y produce la combustión del mismo a presión constante hasta el
final de la inyección y a continuación se inicia la expansión o carrera de trabajo
antes de que el embole llegue al PMI. Se abren las lumbreras de carga y escape y
se inicia la salida de gases residuales y la entrada de aire procedente de la
bomba. Este aire al entrar a gran velocidad y por propia inercia de los gases
residuales arrastran a estos al exterior a trabes del colector de escape con ellos
sale gran parte del aire impulsado por la bomba. El aire continua entrando hasta
que el embolo con se movimiento y comienza un nuevo ciclo.
CALORÍMETRO ADIABATICO
El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de
calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el
calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que
liberan o absorben los cuerpos.
El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado
y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se
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coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el
equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se
conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse
utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede
calcularse fácilmente.
Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el
calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el
objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es
la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un
estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente
de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las
sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba.
Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición,
con ayuda de una chispa eléctrica.
Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El
equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual
que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De
esta forma, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.
CARACTERÍSTICAS
Un calorímetro idealmente puede ser insensible a la distribución espacial de
las fuentes de calor dentro de él. Si este objetivo es alcanzado, entonces la
potencia puede en principio ser medida a cualquier frecuencia por disipación en el
calorímetro y determinar la correspondiente potencia dc que da la misma lectura
que la potencia no conocida.
Por supuesto la tarea de diseñar un calorímetro que sea completamente
insensible a la distribución de calor, no es posible y lo mejor que puede alcanzarse
es construir un instrumento el cual tenga un conocido factor de corrección, estos
factores de corrección son evaluados de una combinación de mediciones y
cálculos, tenemos la eficiencia efectiva. La eficiencia efectiva (e.e.) es un
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parámetro relativamente estable para más instrumentos y siendo adimensional es
independiente del sistema de unidades usado. Para la mayor parte de los
calorímetros la e.e. puede ser evaluada con una incertidumbre de 0.1% a 1 ghz,
0.2 % a 40 ghz y 0.5 % a 100 ghz.
Las correspondientes incertidumbres en los valores de la potencia
absorbida rf o de microondas serán naturalmente un poco mayores que los
dados, ya que dependen por ejemplo de los conectores.
Aunque el principio de medición de potencia por medio de sus efectos
caloríficos es uno de los viejos métodos, los calorímetros actuales tienen sus
orígenes en los desarrollos de los años 40 y 50.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
El desarrollo de los intercambiadores es variado y de una amplia gama de
tamaños y tecnología como plantas de potencia de vapor, plantas de
procesamiento químico, calefacción y acondicionamiento de aire de edificios,
refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, radiadores de vehículos
especiales, etc.
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En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los
radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por
conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por
una pared metálica. En las calderas y los condensadores, es de fundamental
importancia la transferencia de calor por ebullición y condensación.
En ciertos tipos de intercambiadores de calor, como las torres de
enfriamiento, el flujo caliente (es decir, el agua) se enfría mezclándola
directamente con el fluido frío (es decir, el aire) o sea que el agua se enfría por
convección y vaporización al pulverizarla o dejarla caer en una corriente (o tiro)
inducida de aire. En los radiadores de las aplicaciones especiales, el calor
sobrante, transportado por el líquido refrigerante, es transmitido por convección y
conducción a la superficie de las aletas y de allí por radiación térmica al vacío. En
consecuencia el diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde
tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor.
El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más
complicado que el análisis de la transferencia de calor porque en la selección del
diseño final juegan un papel muy importante los costos, el peso, el tamaño y las
condiciones económicas.
Así por ejemplo, aunque las consideraciones de costos son muy
importantes en instalaciones grandes, tales como plantas de fuerza y plantas de
proceso químico las consideraciones de peso y de tamaño constituyen el factor
predominante en la selección del diseño en el caso de aplicaciones especiales y
aeronáuticas. Por lo tanto en este trabajo es importante hacer un tratamiento
completo del diseño de intercambiadores de calor.
Para la clasificación de los intercambiadores de calor tenemos tres categorías
importantes:
REGENERADORES
Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a
través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada, con tan poca
mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
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La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica,
es muy importante en este dispositivo.Las propiedades del material superficial,
junto con las propiedades de flujo y del fluido de las Corrientes fluidas, y con la
geometría del sistema, son cantidades que deben conocer para analizar o diseñar
los regeneradores.
INTERCAMBIADORES DE TIPO ABIERTO
Como su nombre lo indica, los intercambiadores de calor de tipo abierto son
dispositivos en los que las corrientes de fluido de entrada fluyen hacia una cámara
abierta, y ocurre una mezcla física completa de las corrientes.
Las corrientes caliente y fría que entran por separado a este intercambiador
salen mezcladas en una sola. El análisis de los intercambiadores de tipo abierto
involucra la ley de la conservación de la masa y la primera ley de la
termodinámica; no se necesitan ecuaciones de relación para el análisis o diseño
de este tipo de intercambiador.
INTERCAMBIADORES DE TIPO CERRADO O RECUPERADORES
Los intercambiadores de tipo cerrado son aquellos en los cuales ocurre
transferencia de calor entre dos corrientes fluidas que no se mezclan o que no
tienen contacto entre sí.
Las corrientes de fluido que están involucradas en esa forma están
separadas entre sí por una pared de tubo, o por cualquier otra superficie que por
estar involucrada en el camino de la transferencia de calor. En consecuencia, la
transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido más cliente a la
superficie sólida, por conducción a través del sólido y de ahí por convección desde
la superficie sólida al fluido más frío.
TIPOS DE INTERCAMBIADORES
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:
clasificación por la distribución de flujo. Tenemos cuatro tipos de configuraciones
más comunes en la trayectoria del flujo.
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En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran
por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma
dirección y salen por el otro extremo. En la distribución en contracorriente, los
fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen
en direcciones opuestas. En la distribución en flujo cruzado de un solo paso,
un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la
trayectoria del otro fluido. En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple,
un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra
corriente de fluido. Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los
intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general
términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son:
Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los
intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de
vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente
de un flujo caliente en vez de los productos de la combustión a temperatura
elevada.
Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas
como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y plantas eléctricas
nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores
de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos. El
tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el
condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS
Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por
tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes
paralelos al aire de la coraza. Los intercambiadores de calor líquido−líquido
pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los
intercambiadores gas−gas.
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Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los
coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es
generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores
que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido−líquido en un
factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para
transferir la misma cantidad de calor.
Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias
dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos
de construcción. La configuración mas común de flujo de intercambiadores
líquido−líquido de coraza y tubos. Un factor muy importante para determinar el
número de pasos del flujo por el lado de los tubos es la caída de presión
permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este
modo una distribución uniforme del flujo a través de él.
INTERCAMBIADORES COMPACTOS DE CALOR
La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo,
peso y tamaño de un intercambiador de calor varía mucho de una instalación a
otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la
clase de aplicación. Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación,
en la marina o en vehículos aeroespaciales, las consideraciones de peso y tamaño
son muy importantes. Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se
fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y
dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han
diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.
EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR
La efectividad de transferencia de calor se define como la razón de la
transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima
transferencia posible, si se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.
A la mayor razón de capacidad se le designa mediante C y a la menor
capacidad mediante c. En el caso del contra flujo, es aparente que conforme se
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aumenta el área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido
mismo se aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el límite
conforme el área se aproxima al infinito.
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la
temperatura de ambos fluidos sería la lograda si se permitiera que ambos se
mezclaran libremente en un intercambiador de tipo abierto. Para dichos cálculos
se encuentran expresiones aritméticas que expresan la transferencia de calor
lograda, por diferentes tipos de intercambiadores de calor.
TORRES DE ENFRIAMIENTO
Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en
la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el
agua de un río, un lago o en el océano.
Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección
natural y por convección forzada. En la torre de enfriamiento por convección
natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a
través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de
agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación.
La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la
velocidad media de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de
exposición de gotas a la corriente de aire en la torre. Se han construido grandes
torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más de 90 m de altura
para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza.
En una torre de enfriamiento por
convección forzada se pulveriza el
agua en una corriente de aire
producida por un ventilador, el cual lo
hace circular a través de la torre.
El ventilador puede estar montado en
la parte superior de la torre aspirando
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así el aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al
aire a que fluya directamente hacia dentro.
EQUIPO ACONDICIONADOR AIRE (aire acondicionado)
El acondicionamiento de aire es el proceso que se considera más
completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en
regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración),
humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los
locales.
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Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y los
centralizados. Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque a
menudo no del todo). Los segundos tienen un/unos acondicionador/es que
solamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de un sistema
centralizado. En este último caso, la producción de calor suele confiarse a
calderas que funcionan con combustibles. La de frío a máquinas frigoríficas, que
funcionan por compresión o por absorción y llevan el frío producido mediante
sistemas de refrigeración.
La expresión aire acondicionado suele referirse a la refrigeración, pero no
es correcto, puesto que también debe referirse a la calefacción, siempre que se
traten (acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la atmósfera.
Lo que ocurre es que el más importante que trata el aire acondicionado, la
humedad del aire, no ha tenido importancia en la calefacción, puesto que casi toda
la humedad necesaria cuando se calienta el aire, se añade de modo natural por
los procesos de respiración y transpiración de las personas. De ahí que cuando se
inventaron máquinas capaces de refrigerar, hubiera necesidad de crear sistemas
que redujesen también la humedad ambiente.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Los métodos de refrigeración que se utilizan generalmente son de
compresión mecánica que consiste en la realización de un proceso cíclico de
transferencia de calor interior de un edificio al exterior, mediante la evaporación de
sustancias denominadas refrigerantes como el freón, las que actualmente están
siendo reemplazados por refrigerantes alternativos que no afectan el medio
ambiente y la capa de ozono. Esta sustancia se encuentra en estado líquido a baja
presión y temperatura, evaporándose en un serpentín denominado evaporador
mediante la extracción de aire del interior del local más caliente. Luego, en estado
de vapor se succiona y comprime mediante un compresor aumentando su presión
y consecuentemente su temperatura, condensándose en un serpentín
denominado condensador mediante la cesión de calor al aire exterior más frío.
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De esa manera, el refrigerante en estado líquido a alta presión y
temperatura vuelve al evaporador mediante una válvula de expansión en equipos
individuales, que origina una brusca reducción de presión, provocando una cierta
vaporización del líquido que reduce su temperatura, retornando a las condiciones
iniciales del ciclo. Se puede emplear agua como medio de enfriamiento para
provocar la condensación en vez del aire exterior, la que es enfriada mediante una
torre de enfriamiento.
El elemento básico es el compresor del tipo alternativo o a pistón que se utiliza en
la mayoría de los casos. También se utilizan compresores rotativos para sistemas
pequeños o tipo espiral llamado scroll. En grandes instalaciones se suelen
emplear compresores axohelicoidales llamados a tornillo o del tipo centrífugo.
En la actualidad se están desarrollando varios sistemas que mejoran el consumo
de energía del aire acondicionado, son el aire acondicionado solar y el aire
acondicionado vegetal. El aire acondicionado solar utiliza placas solares térmicas
o eléctricas para proveer de energía a sistemas de aire acondicionado
convencionales. El aire acondicionado vegetal utiliza la evapotranspiración
producida por la vegetación de un jardín vertical para refrigerar una estancia.
Clasificación de los equipamientos
Los equipamientos de refrigeración se utilizan para enfriar y deshumidificar el aire
que se requiere tratar o para enfriar el agua que se envía a unidades de
tratamiento de aire que circula por la instalación, por ello, se pueden clasificar en
dos grandes grupos:
Expansión Directa.
Expansión Indirecta (agua fría).
Expansión Directa
Artículo principal: Expansión directa
Se caracterizan por que dentro del serpentín de los equipos, se expande el
refrigerante enfriando el aire que circula en contacto directo con él.
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Se pueden emplear equipos compactos autoconenidos que son aquellos que
reúnen en un solo mueble o carcasa todas las funciones requeridas para el
funcionamiento del aire acondicionado, como los individuales de ventana o, en
caso de mayores capacidades, los del tipo roof-top que permiten la distribución del
aire mediante conductos.
Los sistemas llamado separado o split system se diferencian de los
autocontenidos porque están repartidos o divididos en dos muebles uno exterior y
otro interior, con la idea de separar en el circuito de refrigeración: la zona de
evaporación en el interior con la zona de condensación en el exterior. Ambas
unidades van unidas por medio de tuberías de cobre para la conducción del gas
refrigerante.
Los sistemas multi split consisten en una unidad condensadora exterior, que se
puede vincular con dos o más unidades interiores. Se han desarrollado
equipamientos que permiten colocar gran cantidad de secciones evaporadoras
con solo una unidad condensadora exterior mediante la regulación del flujo
refrigerante, denominado VRV.
Todas estas unidades son enfriadas por aire mediante un condensador y aire
exterior circulando mediante un ventilador. También existen sistemas enfriados por
agua que se diferencian de aquéllos, en que la condensación del refrigerante es
producida por medio de agua circulada mediante cañerías y bomba, empleando
una torre de enfriamiento.
Expansión Indirecta
Utilizan una unidad enfriadora de agua, la cual es distribuida a equipos de
tratamiento de aire donde el serpentín trabaja con agua fría, denominados fan-coil;
(ventilador-serpentín), que puede ser del tipo central constituido por un gabinete
que distribuye el aire ambiente por medio de conductos o individuales verticales
49
que se ubican sobre pared o bajo ventana u horizontales para colgar bajo el
cielorraso.
Funciones que deben cumplir los equipos de climatización
Las funciones que deben cumplir los equipos de aires acondicionados consisten
en:
En verano: enfriamiento y deshumectación.
En invierno: calentamiento y humectación.
Comunes en invierno y verano: ventilación, filtrado y circulación.
Estos procesos deben realizarse:
Automáticamente.
Sin ruidos molestos.
Con el menor consumo energético.
Ventilación
La función de ventilación, consiste en la entrada de aire exterior, para renovar
permanentemente el aire de recirculación del sistema en las proporciones
necesarias a fin de lograr un adecuado nivel de pureza, dado que como el
resultado del proceso respiratorio, se consume oxígeno y se exhala anhídrido
carbónico, por lo que debe suministrarse siempre aire nuevo a los locales para
evitar que se produzcan vaciamientos y olores.
El aire nuevo del edificio o aire de ventilación penetra a través de una reja de toma
de aire, en un recinto llamado pleno de mezcla, en él se mezcla el aire nuevo con
el aire de retorno de los locales, regulándose a voluntad mediante persianas de
accionamiento manualmente o eventualmente automáticas.
Filtrado
La función de filtrado se cumple en la batería de filtros. Consiste en tratar el
aire mediante filtros adecuados a fin de quitarle polvo, impurezas y partículas en
suspensión. El grado de filtrado necesario dependerá del tipo de instalación de
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acondicionamientos a efectuar. Para la limpieza del aire se emplea filtros que
normalmente son del tipo mecánico, compuestos por substancias porosas que
obligan al aire al pasar por ellas, a dejar las partículas de polvo que lleva en
suspensión. En las instalaciones comunes de confort se usan filtros de
poliuretano, lana de vidrio, microfibras sintética o de metálicos de alambre con
tejido de distinta malla de acero o aluminio embebidos en aceite. En las
instalaciones industriales o en casos particulares se suelen emplear filtros
especiales que son muchos más eficientes.
El filtro es el primer elemento a instalar en la circulación del aire porque no
solo protege a los locales acondicionados sino también al mismo equipo de
acondicionamiento.
Enfriamiento y deshumectación
La función de refrigeración y deshumectación, se realiza en verano en forma
simultánea en la batería de refrigeración, dado que si no se realiza, el porcentaje
de humedad relativa aumenta en forma considerable, provocando una sensación
de molestia y pesadez. La humedad contenida en el aire que circula se elimina por
condensación, porque se hace trabajar la batería a una temperatura inferior a la
del punto de rocío
En instalaciones industriales que se requiere gran posición puede aplicarse un
sistema separado empleando para la deshumectación agentes absorbentes como
la silica-gel.
Calentamiento
El calentamiento del aire se efectúa en invierno en la batería de calefacción, por
medio de una batería agua caliente o vapor vinculadas con cañerías a una planta
de calderas o intercambiadores a gas o eléctricos. Para aplicaciones de confort en
instalaciones de agua fría se suele emplear la misma batería que se usa para
refrigerar para calefaccionar haciendo circular agua caliente por la misma, en la
51
época de invierno. El sistema de expansión directa también se puede emplear la
misma batería haciendo funcionar el sistema en el ciclo de bomba de calor.
Humectación
En invierno, si se calienta el aire sin entregarle humedad, la humedad relativa
disminuye provocando resecamiento de las mucosas respiratorias, con las
consiguientes molestias fisiológicas.
La función de humectación, que se ejecuta en invierno en el humectador, debe
colocarse después de la batería de calefacción dado que el aire más caliente tiene
la propiedad de absorber más humedad.
Existen aparatos que evaporan el agua contenida en una bandeja, por medio de
una resistencia eléctrica del tipo blindado, la cual es controlada por medio de un
humidostato de ambiente o de conducto. En los casos de grandes instalaciones,
se recurre a baterías humidificadoras que incorporan al aire agua finamente
pulverizada y, como cumplen además una función, suelen llamarse también
lavadores de aire.
Para instalaciones de confort, salvo casos de climas exteriores muy secos, la
experiencia demuestra que no es necesario cumplir la función de humectación,
teniendo en cuenta que las personas aportan una cierta cantidad de humedad en
el ambiente. De hecho, los equipos estándar de confort, no vienen provistos de
dispositivos de humectación incorporados.
Circulación
La función de circulación la realiza el ventilador dado que es necesario un cierto
movimiento de aire en la zona de permanencia con el fin de evitar su
estancamiento, sin que se produzca corrientes enérgicas que son perjudiciales. Se
emplean ventiladores del tipo centrífugo, capaces de hacer circular los caudales
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de aires necesarios, venciendo las resistencias de frotamiento ocasionadas en el
sistema con bajo nivel de ruidos.
En los equipos destinados a pequeños locales como el acondicionador de ventana
o el fan-col individual, el aire se distribuye directamente mediante rejillas de
distribución y retornos incorporados en los mismos. Pero en equipos de cierta
envergadura que abastece varios ambientes o recintos amplios debe
canalizárselos por medio de conductos, generalmente construido en chapa de
hierro galvanizado, convenientemente aislados, retornando mediante rejillas y
conductos a las unidades.
En los ambientes, la inyección de aire se realiza por medio de rejillas sobre
paredes o difusores sobre los cielorrasos y el retorno se efectúa por rejillas
colocada en la parte inferior de los locales, con el objetivo de conseguir un
adecuado movimiento de aire en la zona de vida del local en cuestión, que se
encuentra en un plano ubicado a 1.50 m sobre el nivel del piso.
Acondicionamiento de aire
En 1902 Willis Carrier sentó las bases de la maquinaria de refrigeración
moderna y al intentar aplicarla a los espacios habitados, se encontró con el
problema del aumento de la humedad relativa del aire enfriado, y al estudiar cómo
evitarlo, desarrolló el concepto de climatización de verano.
Por aquella época un impresor neoyorquino tenía serias dificultades durante
el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel,
obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor
y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema:
diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos
enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la historia.
Durante aquellos años, el objetivo principal de Carrier era mejorar el
desarrollo del proceso industrial con máquinas que permitieran el control de la
temperatura y la humedad. Los primeros en usar el sistema de aire acondicionado
Carrier fueron las industrias textiles del sur de Estados Unidos. Un claro ejemplo,
53
fue la fábrica de algodón Chronicle en Belmont. Esta fábrica tenía un gran
problema. Debido a la ausencia de humedad, se creaba un exceso de electricidad
estática haciendo que las fibras de algodón se convirtiesen en pelusa. Gracias a
Carrier, el nivel de humedad se estabilizó y la pelusilla quedó eliminada.
Debido a la calidad de sus productos, un gran número de industrias, tanto
nacionales como internacionales, se decantaron por la marca Carrier. La primera
venta que se realizó al extranjero fue a la industria de la seda de Yokohama en
Japón en 1907.
En 1915, empujados por el éxito, Carrier y seis amigos reunieron 32.600
dólares y fundaron “La Compañía de Ingeniería Carrier”, cuyo gran objetivo era
garantizar al cliente el control de la temperatura y humedad a través de la
innovación tecnológica y el servicio al cliente. En 1922 Carrier lleva a cabo uno de
los logros de mayor impacto en la historia de la industria: “la enfriadora centrífuga”.
Este nuevo sistema de refrigeración se estrenó en 1924 en los grandes almacenes
Hudson de Detroit, en los cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para
enfriar el sótano y posteriormente el resto de la tienda. Tal fue el éxito, que
inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas,
aeropuertos, fábricas, hoteles y grandes almacenes. La prueba de fuego llegó en
1925, cuando a la compañía Carrier se le encarga la climatización de un cine de
Nueva York. Se realiza una gran campaña de publicidad que llega rápidamente a
los ciudadanos formándose largas colas en la puerta del cine. La película que se
proyectó aquella noche fue rápidamente olvidada, pero no lo fue la aparición del
aire acondicionado.
En 1930, alrededor de 300 cines tenían instalado ya el sistema de aire
acondicionado. A finales de 1920 propietarios de pequeñas empresas quisieron
competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar
máquinas pequeñas. En 1928 se fabricó un equipo de climatización doméstico que
enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire y cuya principal aplicación era
la doméstica, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al
aire acondicionado en los hogares. Hasta después de la Segunda Guerra Mundial
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las ventas de equipos domésticos no empezaron a tener importancia en empresas
y hogares
COMPRESORES RECIPROCANTES O ALTERNATIVO
Los compresores reciprocantes son máquinas utilizada para incrementar
la presión de fluidos compresibles con peso molecular en un rango amplio.
Un compresor reciprocante (Fig. 1) es una máquina de desplazamiento
positivo de flujo intermitente que emplea como elemento de bombeo un pistón o
un diafragma. Este tipo de compresores son empleados en todo tipo de
aplicaciones, en especial las aplicaciones que requieren grandes relaciones de
compresión o diferenciales de presión los cuales pueden llegar a ser de
40000psig. Los C.R. son producidos o fabricados en gran variedad de
configuraciones; según números de etapas, disposición de los pistones,
interenfriados, materiales, motor utilizado, etc. Debido a su condición de operación
cíclica a considerable frecuencia, el manejo de altas relaciones de presión y
elevadas temperaturas de los gases, y el roce constante (C.R. de piston) o fatiga
de la membrana (C.R. de diafragma), los C.R. requieren una frecuencia de
mantenimiento mayor que cualquier otro tipo de compresor en el mercado (en
especial los compresores centrífugos que son su más cercano competidor).
Debido a lo anterior, los costos de operación y de reparaciones preventivas son
mayores, tanta es dicha diferencia que para los años 50s hasta mediados de los
70s los compresores centrífugos poseían una mayor popularidad que los C.R.,
situación que actualmente se presenta a favor de los R.C. debido a los aumentos
de los precios de las energías, la aparición de plantas de procesos especializadas,
a los mejores materiales empleados y a el desarrollo de mejores lubricantes y
sistemas de refrigeración.
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Fig 1 Compresor reciprocante
Su mayor ventaja radica en que estos compresores poseen una mayor eficiencia a
cargas altas y parciales, en especial aquellos de dos etapas. Sin embargo, el
interés por estos equipos ha decaído, principalmente debido a los requerimientos
de mantenimiento, costos de instalación y ruido. Aun así, unidades de este tipo
poseen la mayor eficiencia siempre y cuando reciban el mantenimiento adecuado.
Sin embargo, como se trabaja a altas cargas, los elementos más importantes del
compresor (válvulas, sellos, anillos y cilindro) se van a ver sometidos a grandes
esfuerzos y fatiga mecánica y térmica.
Fig 2 Partes comunes de un compresor reciprocante
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Principio de funcionamiento
Fig 3 Ciclo de compresión ideal equivalente a una revolucion del cigüeñal
Un compresor reciprocante está compuesto básicamente por un cilindro
dentro del cual el gas en comprimido por un pistón que efectúa un movimiento
reciprocante en dirección axial. Esto se traduce en una disminución del volumen
del gas, lo que genera un aumento de presión. La admisión y la descarga del gas
se hacen a través de válvulas automatizadas, las cuales se abren al detectar un
diferencial de presión determinado.
Las válvulas de admisión se abren cuando la presión en el cilindro es
ligeramente menor a la presión de admisión. Asimismo, las válvulas de descarga
se abren cuando la presión en el cilindro es un poco superior a la presión en la
descarga.
Al inicio del ciclo el cilindro (Fig 3) está lleno de aire atmosférico. El pistón
se mueve reduciendo el volumen inicial de aire, ocasionando un aumento de
presión. Hasta este momento las válvulas permanecen cerradas. En la figura se
muestra la presión en el interior del cilindro igual a la presión de descarga del
sistema. A continuación, el pistón realiza la carrera de descarga. Las válvulas de
descarga se abren justo después de que el ciclo alcanza el punto 2 y el aire
comprimido fluye a través de éstas hacia el sistema.
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Después de que el pistón alcanza el punto 3 las válvulas de descarga se
cierran, dejando el espacio muerto lleno de aire a la presión de descarga. Durante
la carrera de expansión, tanto las válvulas de admisión como de descarga
permanecen cerradas y el aire atrapado en el espacio muerto aumenta su
volumen, lo que implica una disminución de presión.
Selección del tipo de compresor
Cuando se va a seleccionar el tipo de un compresor se deben tener en cuenta
una serie de factores importantes:
Presión de descarga requerida
Capacidad requerida
Características del suministro de potencia
Disponibilidad de agua de enfriamiento
Espacio requerido por el compresor
Peso del compresor
Tipo y tamaño de base requerida
Tipo de sistema de control requerido
Costos de mantenimiento
La primera elección es entre compresores de desplazamiento positivo y
compresores rotodinámicos (Fig 4). Una vez se ha tomado esta decisión, se
procede a hacer un estudio más detallado de las características de varios
compresores para determinar cuál es el más apropiado para la aplicación. La
selección de un compresor es una decisión en la que se deben considerar todos
los factores; la vida promedio de un compresor está alrededor de los 20 años o
más, por lo que cada decisión que afecte los costos de operación tendrá
consecuencias a largo plazo.
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