GUIA MÃ¡quinas TÃ©rmicas

1

UNIDAD I

Principios y leyes de termodinámica.1. SISTEMA DE UNIDADES

Toda magnitud física debe llevar asociadas sus unidades. Es fundamental para el método

científico que las medidas sean reproducibles y, para que esto sea posible, las magnitudes

con sus unidades han de ser expresadas de una manera concisa y no ambigua.

Desde tiempos inmemoriales el hombre ha empleado sistemas de medida para

cuantificar. Muchos de estos sistemas de medidas estaban basados en partes del cuerpo

o en objetos cotidianos (una vara, un pie, etc.). El problema de este tipo de unidades es

que no eliminaba la ambigüedad, y fomentaba el uso de diferentes medidas en los

distintos pueblos, lo que dificultaba en actividades como el comercio ponerse de acuerdo

sobre las cantidades con las que se estaba comerciando.

A finales del siglo XVIII se adoptó en Francia el llamado sistema métrico. La ventaja de

este sistema es doble: por una parte, proporciona una única unidad para cada magnitud

física. Además, no hace necesario el uso de factores de conversión, puesto que todos los

múltiplos y submúltiplos de cada unidad son potencias de diez.

En la actualidad el sistema métrico que se emplea a nivel internacional es el Sistema

Internacional de Unidades (SI), el organismo encargado de velar por la uniformidad de las

unidades es la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

1.1. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

El Sistema Internacional de Unidades fue creado en 1960. Tiene la ventaja de que todas

sus unidades básicas están basadas en fenómenos físicos, a excepción de la unidad de

masa, que se define en referencia a un patrón de platino iridiado (imagen del banner de

esta sección) que se conserva en una caja fuerte de la Oficina de Pesos y Medidas. Para

obtener información detallada sobre las definiciones de cada unidad.

MANTENIMIENTO INDUSTRIAL MÁQUINAS TÉRMICAS

2

UNIDADES BÁSICAS

Las unidades básicas del Sistema Internacional son siete:

Magnitud Física Unidad SímboloLongitud metro mTiempo segundo sMasa kilogramo kgIntensidad de corriente eléctrica amperio ATemperatura kelvin KCantidad de sustancia mol molIntensidad luminosa candela cd

Como es un sistema métrico decimal, los múltiplos y submúltiplos de cada una de estas

unidades se expresan en potencias de 10. En la siguiente tabla se muestran los nombres

de algunos de ellos.

1000n 10n Prefijo Símbolo Escala Corta Escala Larga Equivalencia decimal

10008 1024 yotta Y Septillón Cuadrillón 1 000 000 000 000 000 000 000 000

10007 1021 zetta Z Sextillón Mil trillones 1 000 000 000 000 000 000 000

10006 1018 exa E Quintillón Trillón 1 000 000 000 000 000 00010005 1015 peta P Cuadrillón Mil billones 1 000 000 000 000 00010004 1012 tera T Trillón Billón 1 000 000 000 000

10003 109 giga G Billón Mil millones (o millardo)

1 000 000 000

10002 106 mega M Millón 1 000 00010001 103 kilo k Mil 1 00010002/3 102 hecto h Centena 10010001/3 101 deca da / D Decena 1010000 100 ninguno Unidad 11000-1/3 10-1 deci d Décimo 0.11000-2/3 10-2 centi c Centésimo 0.011000-1 10-3 mili m Milésimo 0.0011000-2 10-6 micro µ Millonésimo 0.000 0011000-3 10-9 nano n Billonésimo Milmillonésimo 0.000 000 001


3

1000-4 10-12 pico p Trillonésimo Billonésimo 0.000 000 000 0011000-5 10-15 femto f Cuadrillonésimo Milbillonésimo 0.000 000 000 000 0011000-6 10-18 atto a Quintillonésimo Trillonésimo 0.000 000 000 000 000 001

1000-7 10-21 zepto z Sextillonésimo Miltrillonésimo 0.000 000 000 000 000 000 001

1000-8 10-24 yocto y Septillonésimo Cuadrillonésimo 0.000 000 000 000 000 000 000 001

UNIDADES DERIVADAS

Las unidades derivadas son las utilizadas para expresar magnitudes físicas que dependen

(son combinaciones) de las magnitudes básicas. Varias de estas unidades SI derivadas se

expresan simplemente a partir de las unidades SI básicas y suplementarias. Otras han

recibido un nombre especial y un símbolo particular.

Si una unidad SI derivada puede expresarse de varias formas equivalentes utilizando, bien

nombres de unidades básicas y suplementarias, o bien nombres especiales de otras

unidades SI derivadas, se admite el empleo preferencial de ciertas combinaciones o de

ciertos nombres especiales, con el fin de facilitar la distinción entre magnitudes que

tengan las mismas dimensiones.

UNIDADES SI DERIVADAS EXPRESADAS A PARTIR DE UNIDADES BÁSICAS Y

SUPLEMENTARIAS.

Magnitud Nombre Símbolo

Superficie metro cuadrado m2

Volumen metro cúbico m3


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Velocidad metro por segundo m/s

Aceleración metro por segundo cuadrado m/s2

Número de ondas metro a la potencia menos uno m-1

Masa en volumen kilogramo por metro cúbico kg/m3

Velocidad angular radián por segundo rad/s

Aceleración angular radián por segundo cuadrado rad/s2

UNIDADES SI DERIVADAS CON NOMBRES Y SÍMBOLOS ESPECIALES.

Magnitud Nombre Símbolo Expresión en otras unidades SI

Expresión en unidades SI básicas

Frecuencia hertz Hz s-1

Fuerza newton N m·kg·s-2

Presión pascal Pa N·m-2 m-1·kg·s-2

Energía, trabajo,cantidad de calor

joule J N·m m2·kg·s-2

Potencia watt W J·s-1 m2·kg·s-3

Cantidad de electricidadcarga eléctrica

coulomb C s·A

Potencial eléctricofuerza electromotriz

volt V W·A-1 m2·kg·s-3·A-1

Resistencia eléctrica ohm W V·A-1 m2·kg·s-3·A-2

Capacidad eléctrica farad F C·V-1 m-2·kg-1·s4·A2

Flujo magnético weber Wb V·s m2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética tesla T Wb·m-2 kg·s-2·A-1

Inductancia henry H Wb·A-1 m2·kg s-2·A-2


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UNIDADES SI DERIVADAS EXPRESADAS A PARTIR DE LAS QUE TIENEN NOMBRES ESPECIALES

Magnitud Nombre Símbolo Expresión en unidades SI básicas

Viscosidad dinámica pascal segundo Pa·s m-1·kg·s-1

Entropía joule por kelvin J/K m2·kg·s-2·K-1

Capacidad térmica másica joule por kilogramo kelvin

J/(kg·K) m2·s-2·K-1

Conductividad térmica watt por metro kelvin W/(m·K) m·kg·s-3·K-1

Intensidad del campo eléctrico

volt por metro V/m m·kg·s-3·A-1

1.1.1. FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES

TRABAJO, ENERGÍA Y CALOR.

POTENCIA


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ENTALPÍA Y ENTALPÍA ESPECÍFICA

ENTROPÍA Y ENTROPÍA ESPECÍFICA

TRANSFERENCIA DE CALOR

CALOR ESPECÍFICO (CAPACIDAD CALORIFICA)


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EQUIVALENTES DE REFRIGERACIÓN.

1.1.2. ORDENES DE MAGNITUD

Un orden de magnitud es una clase de escala o magnitud de cualquier cantidad, donde

cada clase contiene valores de un cociente fijo con respecto a la clase precedente. El

cociente más comúnmente utilizado es el 10, puesto que, como hemos visto, el sistema

de medida utilizado en la actualidad es métrico decimal.

Por ejemplo, si una longitud es 100 veces mayor que otra, se dice que es dos órdenes de

magnitud mayor. Cuando dos números tienen aproximadamente el mismo valor, se dice

que son del mismo orden de magnitud.

Es muy importante manejar los órdenes de magnitud, ya que nos permiten representar y

comparar de una forma simplificada las distintas magnitudes físicas.


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Los órdenes de magnitud se representan en notación científica, es decir, en potencias de

10, a continuación se muestran algunos de ellos con la potencia correspondiente:

Nombre Decimal Potencia de diez Orden de Magnitud Diezmilésima 0.0001 10-4 -4Milésima 0.001 10-3 -3Centésima 0.01 10-2 -2Décima 0.1 10-1 -1Unidad 1 100 0Diez 10 101 1Cien 100 102 2Mil 1000 103 3Diez mil 10000 104 4Un millón 1000000 106 6Mil millones 1000000000 109 9Un billón 1000000000000 1012 12

1.2. EJERCICIOS PROPUESTOS

PROB. No. 1.

Expresar en kilovatio-hora (Kw-h) y en BTU una cantidad de calor de 550 Calorías (cal).

PROB. No. 2.

Expresar 200 kCal-hora en Mega Watts.

PROB. No. 3.

Expresar 7560 kJ-h en Kcal-h


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1.3. TERMODINAMICA.

La Termodinámica estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y

cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento).

La Termodinámica clásica se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera

descubierta, por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son

independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las

llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes

definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía.

Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario

introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo

se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos

están resumidos en el siguiente cuadro:


10

1.3.1. SISTEMA TERMODINÁMICO.

SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte

del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el

vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera

terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores

del sistema) por límites reales o imaginarios. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería,

por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus

alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor

(diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.

Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los

alrededores (su masa permanece constante).

Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las

variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos


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del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en

equilibrio termodinámico.

VARIABLES TERMODINÁMICAS

Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para

describir el estado de un sistema termodinámico.

Dependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse

distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. Por ejemplo en el caso de un gas,

estas variables son:

Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional

se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol).

Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema Internacional

se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l) no es una unidad del Sistema

Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos es: 1 l = 10-3 m3.

Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección

perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en pascales (Pa). La

atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.

Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada

con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la

temperatura es una magnitud que determina el sentido en que se produce el flujo de calor

cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el Sistema Internacional se mide en kelvin (K),

aunque la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es: T (K)


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= t (ºC) + 273. Para la conversión entre las unidades de temperatura del sistema Internacional e

Inglés están dadas por:

Fahrenheit a Celsius: Celsius a Fahrenheit:

En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las variables

termodinámicas que describen su estado.

Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas están relacionadas

mediante una ecuación denominada ecuación de estado.

VARIABLES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es proporcional al tamaño

del sistema que describe. Esta magnitud puede ser expresada como suma de las magnitudes de un

conjunto de subsistemas que formen el sistema original. Por ejemplo la masa y el volumen son

variables extensivas.

Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la cantidad de materia del

sistema. Es decir, tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes

consideradas como subsistemas del mismo. La temperatura y la presión son variables intensivas.


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POSTULADO DE ESTADO.

La especificación de cierto número de propiedades es suficiente para fijar un estado. El número de

propiedades requeridas para fijar el estado de un sistema está dado por el postulado de estado:

El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos propiedades

intensivas independientes.

1.3.2. EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las

variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo. Cuando un sistema

no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema.

Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben

tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en

equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico. Equilibrio térmico: la

temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores. Equilibrio mecánico: la presión del

sistema es la misma que la de los alrededores.

FUNCIÓN DE ESTADO

Una función de estado es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo del

estado del sistema, y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo, la energía

interna y la entropía son funciones de estado.

El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de

transformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final . Las

funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que las funciones que

no son de estado representan procesos en los que las funciones de estado varían.


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PROCESOS (TRAYECTORIA).

Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro se llama proceso,

y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de

trayectoria del proceso. Siempre que varía una más de las propiedades de un sistema decimos que

ha ocurrido un cambio en su estado.

Dicho en otras palabras, es el cambio de estado de una sustancia o un sistema, desde unas

condiciones iniciales (estado inicial) hasta unas condiciones finales (estado final) pasa por una

trayectoria definida.

Para describir completamente un proceso se requiere especificar los estados de equilibrio inicial y

final, así como de la trayectoria o las interacciones del sistema con su entorno durante el proceso.

En muchos procesos es común observar que una propiedad permanece constante, y para indicar

esto se usa el prefijo Iso; por lo tanto, un proceso a temperatura constante se denomina

isotérmico, uno a presión constante, isobárico, uno a volumen constante, isométrico o isicórico,

uno a entalpia constante, isentalpico, y uno a entropía constante, isentrópico.

Isócora o a volumen constante

Isóbara o a presión constante


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En general los procesos dependiendo de sus características, trayectoria, o del comportamiento de

las propiedades de la sustancia involucrada se pueden clasificar en procesos desarrollados con una

propiedad constante y en procesos con características especiales.

El primer grupo abarca los procesos Iso, y el segundo grupo enmarca los procesos Adiabáticos (Sin

transferencia de calor a los alrededores) y politrópicos (donde ninguna propiedad permanece

constante).

Para el estudio de los procesos termodinámicos se considera que cualquier estado intermedio

entre el inicial y el final se encuentra muy cerca al equilibrio , esto es lo que se denomina proceso

en cuasiequilibrio o casi al equilibrio.

1.3.3. CICLO TERMODINÁMICO.

Es un conjunto de procesos que secuencialmente retornan la sustancia de trabajo a sus condiciones

iniciales. Cuando un sistema sigue una trayectoria cerrada, es decir, pasa a través de varios

estados partiendo de un estado inicial y finalmente regresa al mismo, se considera que ha

efectuado un Ciclo.

La figura muestra un ciclo compuesto por los procesos A y B, parte desde el estado 1 por la ruta del

proceso A de tal modo que se alcanza el estado 2 y se sigue por la ruta del proceso B hasta finalizar

el ciclo en el estado 1.Como Un ciclo puede estar compuesto por más de dos procesos.


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TRANSFORMACIONES TERMODINAMICAS.

Un sistema termodinámico puede describir una serie de transformaciones que lo lleven desde un

cierto estado inicial (en el que el sistema se encuentra a una cierta presión, volumen y

temperatura) a un estado final en que en general las variables termodinámicas tendrán un valor

diferente. Durante ese proceso el sistema intercambiará energía con los alrededores.

Los procesos termodinámicos pueden ser de tres tipos:

Cuasiestático: es un proceso que tiene lugar de forma infinitamente lenta. Generalmente

este hecho implica que el sistema pasa por sucesivos estados de equilibrio, en cuyo caso la

transformación es también reversible.

Reversible: es un proceso que, una vez que ha tenido lugar, puede ser invertido (recorrido en

sentido contrario) sin causar cambios ni en el sistema ni en sus alrededores.

Irreversible: es un proceso que no es reversible. Los estados intermedios de la

transformación no son de equilibrio.

1.3.4. DIAGRAMA P - V

Una forma de representar gráficamente los estados y las transformaciones que experimenta un

sistema es el llamado diagrama de Clapeyron o diagrama p - V. En el eje vertical se representa la

presión y en el horizontal el volumen. Cualquier estado de equilibrio, definido por sus variables (p,

V), se representa mediante un punto en dicho diagrama. La temperatura de dicho estado se

obtiene haciendo uso de la ecuación de estado.


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En la figura superior se han representado dos transformaciones en un diagrama p - V. La primera de

ellas (A-B, en rojo) es una transformación isócora (tiene lugar a volumen constante), y la B-C es una

transformación isóbara (a presión constante). Ambas son transformaciones reversibles puesto que,

al estar representados en el diagrama todos los estados intermedios entre el estado inicial y el

final, deben ser necesariamente de equilibrio. Si no lo fueran, las variables termodinámicas no

estarían bien definidas en ellos.

INTERCAMBIO DE ENERGÍA EN UN SISTEMA TERMODINÁMICO.

Como ya se ha mencionado, la Termodinámica estudia las transformaciones energéticas que

experimenta un sistema termodinámico, por lo que es necesario introducir ahora qué tipos de

energía entran en juego cuando un sistema experimenta una determinada transformación y cuál es

la relación que existe entre ellos. En primer lugar es necesario diferenciar la energía que un

sistema puede acumular de la energía que se transfiere a un sistema cuando éste experimenta

una transformación. La primera denominada energía interna, es una propiedad del sistema y por

tanto una función de estado.

La energía transferida a un sistema termodinámico puede ser de dos tipos: calor y trabajo.

Ninguna de estas magnitudes es una función de estado, ya que no son propiedades del sistema sino

de la energía que se le ha suministrado a lo largo de una transformación, y dependen por tanto de

la misma. En la siguiente figura se ha representado la relación entre las tres magnitudes.

Cuando un sistema pasa de un cierto estado inicial A, a uno B, su energía interna varía. Durante la

transformación se le suministra trabajo y calor, y la relación entre las tres magnitudes (parte central

de la figura) se conoce como primer principio de la termodinámica.


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CALOR

El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un

sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor

que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación

que ha experimentado dicho sistema. Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta

temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho

se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la siguiente figura.

Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía

interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a

otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema

Internacional son los julios (J)

La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta

sustancia con la variación de temperatura Δt que experimenta es:

Donde c es el calor específico de la sustancia.

El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1

grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.


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En general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. Sin embargo, como

esta dependencia no es muy grande, suele tratarse como una constante.

Criterio de signos: el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido

negativo.

1.3.4.1. TRABAJO DE UN SISTEMA TERMODINAMICO

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando

se produce un desplazamiento. Es conveniente definir particularmente la expresión general del

trabajo para un sistema termodinámico concreto:

Un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.

Por efecto de la presión P ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una

posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.

W=Fd x

Sustituyendo la fuerza por sus componentes de presión.

W=PAd x

Remplazando la por volumen el área por la distancia:

W=PdV

En otros términos

W=P(v2−v1)


20

En el Sistema Internacional el trabajo se mide en Julios (J).

Este trabajo está considerado desde el punto de vista del sistema termodinámico, por tanto:

Criterio de signos: El trabajo es positivo cuando lo realiza el gas (expansión) y negativo

cuando el exterior lo realiza contra el gas (compresión).

1.3.4.2. EL TRABAJO EN UN DIAGRAMA P-V

Si representamos en un diagrama p-V los estados inicial (A) y final (B), el trabajo es el área

encerrada bajo la curva que representa la transformación experimentada por el gas para ir desde

el estado inicial al final. Como se observa en la figura, el trabajo depende de cómo es dicha

transformación.

Es decir, se puede concluir que:

El trabajo intercambiado por un gas depende de la transformación que realiza para ir desde el

estado inicial al estado final

Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la suma del trabajo

(con su signo) realizado por el gas en cada una de ellas. Un tipo de transformación

particularmente interesante es la que se lleva a cabo durante un ciclo, en la que el gas, después de


21

sufrir distintas transformaciones, vuelve a su estado inicial (figura inferior). El interés de este tipo

de transformaciones radica en que todas las máquinas térmicas y refrigeradores funcionan

cíclicamente.

Cuando un ciclo se recorre en sentido horario ó CW (ver figura de la izquierda), el trabajo total

realizado por el gas en el ciclo es positivo, ya que el trabajo AB (positivo) es mayor en valor

absoluto que el BA (negativo), por lo que la suma de ambos será positiva. Por el contrario, si el ciclo

se recorre en sentido antihorario ò CCW, el trabajo total es negativo.

Los ciclos que representan el funcionamiento de máquinas térmicas se recorren siempre en

sentido horario (una máquina da trabajo positivo), mientras que los ciclos que representan el

funcionamiento de los refrigeradores son recorridos en sentido antihorario (para que un

refrigerador funcione, debemos suministrarle trabajo desde el exterior).

1.3.4.3. ENERGÍA INTERNA.

A la suma de todas las formas de energía microscópica de un sistema se le denomina energía

interna (U). La energía total (E) de un sistema interna es el resultado de la contribución de la


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energía interna, la energía cinética (EC) de las moléculas o átomos que lo constituyen, además de

la energía potencial (EP) que es la energía que un sistema posee como resultado de su elevación en

un campo gravitacional.

E=U+EC+EP=U+M V 2

2+mgz

La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la

transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final.

Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el

estado inicial y el final coinciden:

1.3.4.4. PRESIÓN

La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión solo se emplea cuando

se trata con un gas ó un líquido. Como la presión se define como una fuerza por unidad de área, usa

la unidad de newtons por metro cuadrado (N/m2), la cual se llama pascal (Pa).

1Pa=1N /m2

Como la unidad de presión pascal es demasiado pequeña para presiones que se encuentran en la

práctica usamos sus múltiplos kilopascal (1kPa=103 Pa) y megapascal (1 MPa=106 Pa). Por otra

parte la presión real en una posición dada se denomina presión absoluta y se mide respecto al


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vacío absoluto, es decir, la presión del cero absoluto. Sin embargo la mayor parte de los

dispositivos que miden presión se calibran para leer en cero en la atmósfera y por ello indican la

diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Esta diferencia se denomina

presión manométrica.

Las presiones por debajo de la atmosférica reciben el nombre de presiones de vacío y se miden con

medidores de vacío que indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Pmanometrica=Pabs−Patm( para presiones sobre Patm)

Pvac=Patm−Pabs( para presiones sobre Patm)

1.4. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

SUSTANCIA PURA

Es una sustancia que tiene una composición química fija; es decir que también puede ser una

mezcla de varias sustancias o elementos químicos siempre que la composición no varíe o sea que

sea una mezcla totalmente homogénea. O sea que puede ser aire, combustible, etc., pero no

puede ser una mezcla de aceite y agua ya que estos se separan y no forma una mezcla homogénea.


------------------------------------------------------------- Patm

Pvac

_________________________________

Pabs

Presión absoluta de vacío______________________Pabs = 0

________________________________

Pmanométrica

--------------------------------------------------Patm

Pabs

Patm

Presión absoluta de vacío______________Pabs = 0

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Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura sigue siendo una sustancia pura , siempre

que la composición de las fases sea la misma, como agua en su fase de vapor y líquida o mezcla de

hielo y agua líquida, pero aire en su fase de vapor y líquido no es una sustancia pura ya que tienen

diferentes composiciones ya que se condensa solamente el vapor de agua, esto es debido a que los

componentes del aire tienen diferentes puntos de condensación.

1.4.1.- FASES DE UNA SUSTANCIA

Las sustancias existen en diferentes fases, por ejemplo a temperatura y presión ambiente: el cobre,

hierro, plástico, oro es sólido; el aire, el nitrógeno es gaseoso; el agua, el mercurio es líquido. Una

sustancia puede tener varias fases con estructuras moleculares diferentes, por ejemplo el carbono

puede existir como grafito o diamante en fase sólida.

Una fase se identifica como un arreglo molecular distinto, homogéneo en su totalidad y separado de

las demás fases por medio de superficies identificables. Por ejemplo el agua y el hielo, estas son

fácilmente identificables.

A nivel molecular, los enlaces moleculares del estado sólido son más fuertes que el estado líquido y

este que el estado gaseoso. En las moléculas del sólido existen pequeñas distancias

intermoleculares, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen fijas

dentro del sólido.

En las moléculas del líquido es similar al estado sólido únicamente que las moléculas ya no

mantienen posiciones fijas entre si y pueden rotar y trasladarse libremente. En un líquido las fuerzas

intermoleculares son más débiles con relación a un sólido, pero son fuertes en comparación con los

gases.


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En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden

molecular. Las moléculas del gas se mueven al azar, en continuo choque entre si y con las paredes

del recipiente que las contienen. Las fuerzas moleculares son muy pequeñas, en particular en bajas

densidades, y las colisiones son la única interacción entre las moléculas.

Las moléculas en estado gaseoso tienen un nivel de energía bastante mayor que en la fase líquida o

sólida, o sea que el gas debe liberar una gran cantidad de energía antes de que pueda congelarse o

condensarse.

Una sustancia pura puede existir en diferentes fases dependiendo del proceso, por ejemplo en la

caldera existe agua líquida y vapor; un refrigerante en un condensador evaporativo existe

inicialmente como vapor, luego como líquido.

PROCESO DE CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS

LIQUIDO COMPRIMIDO O LÍQUIDO SUBENFRIADO

Si hablamos de líquido comprimido entendemos que la sustancia está como líquida a una presión

mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada. Si hablamos de

líquido subenfriado entendemos que la sustancia está como líquida a una temperatura menor que

la temperatura de saturación (T < Tsat) para una presión determinada.

LIQUIDO SATURADO

Es aquel que está a punto de evaporarse. Es importante notar que cuando una sustancia pura está

como líquido saturado ésta se halla totalmente en ese estado, como líquido, nada de vapor ya que

está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada.

VAPOR SATURADO O VAPOR SATURADO SECO

Es un vapor que está a punto de condensarse. En esta fase la sustancia está toda como vapor y es

necesario retirar calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquido.


26

VAPOR SOBRECALENTADO

Es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado, por lo cual la

sustancia sigue estando toda como vapor pero ya no estará a punto de condensarse o de formar

pequeñas gotas de líquido. Si hablamos de vapor sobrecalentado entendemos que la sustancia está

como toda vapor a una temperatura mayor que la temperatura de saturación ( T > Tsat) para una

presión determinada.

TEMPERATURA DE SATURACIÓN Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

La forma más simple de entender estos conceptos es por medio de un ejemplo: Siempre hemos

sabido que el agua hierve, o se comienza a evaporar, a 100ºC, pero lo hace a esa temperatura

porque la presión a la que se encuentra es la presión atmosférica que es 1 atmósfera.

La temperatura a la cual una sustancia pura comienza a cambiar de fase, bien sea comenzando a

transformarse de agua a vapor (líquido saturado) o de vapor a líquido (vapor saturado), se llama

temperatura de saturación, y esta temperatura de saturación siempre va a tener ligada una presión

que se llamará presión de saturación.

Volviendo al ejemplo, si nos preguntarán cual es la temperatura de saturación para el agua a una

presión de 1 atm = 101.325 kPa, la respuesta correcta sería 100ºC, si preguntan sobre la presión de

saturación para una temperatura de 100ºC la respuesta correcta sería 1 atmósfera.

En pocas palabras, a cierta presión, la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se le

llama temperatura de saturación, Tsat. A cierta temperatura, la presión a la cual una sustancia pura

cambia de fase se le llama presión de saturación, Psat.

Las tablas de presión de saturación que muestran la presión de saturación a varias temperaturas o

temperatura de saturación contra la presión se encuentran disponibles para cualquier sustancia

pura y se denomina curva de saturación de líquido-vapor.


27

1.5.- DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS

1.5.1.- DIAGRAMA TEMPERATURA-VOLUMEN ESPECÍFICO (T – v)

La gráfica corresponde a un diagrama T-v donde se muestra la curva de saturación y las isóbaras. Al

agregar calor a presión constante se convierte la sustancia de líquido saturado a vapor saturado a

temperatura constante (Por ser un proceso de equilibrio: presión y temperatura constante). Si la

sustancia es un líquido subenfriado se observa que las isóbaras son muy cercanas entre sí, ante todo

que en la realidad las isobaras del lado del líquido subenfriado son más cercanas; por esta razón un

estado de líquido comprimido se puede aproximar a un estado de líquido saturado a la misma

temperatura.

Debido a que la evaporación a presión constante se efectúa también a temperatura constante;

existe cambio de volumen debido a la formación de la fase vapor. Si la sustancia (sistema), inicia el

proceso de evaporación, la mayor parte es líquido y una pequeña porción es vapor; obteniéndose

en ese punto del sistema un vapor con baja calidad (x = calidad, lb vapor/lb totales), si nuestro

sistema se encuentra cerca de la curva de vapor saturado, se tendrá una porción bastante grande

de vapor en relación al líquido existente en ese punto (Tratándose de un vapor de alta calidad; lb

vapor/lb totales). Al llegar el sistema a la curva de vapor saturado, este corresponde a un vapor con

calidad 1 (1 kg vapor/1 kg total) o calidad del 100%.

En el punto crítico, los volúmenes específicos adquieren el mismo valor. Se puede observar en el

diagrama T-v que el cambio de volumen a temperatura constante, debido a un cambio de presión,


28

es mayor para un vapor que para un líquido; esto se debe a que el vapor es mucho más compresible

que el líquido.

1.5.2.- DIAGRAMA DE PRESIÓN-VOLUMEN ESPECÍFICO (P-v)

La gráfica corresponde a un diagrama P-v. En la región de equilibrio líquido-vapor que en la

evaporación inicia como líquido saturado y termina como vapor saturado se realiza a presión y

temperatura constante e incremento en el volumen específico; obteniéndose en la trayectoria de

líquido saturado a vapor saturado; un sistema con una calidad determinada desde cero hasta uno o

100%. El comportamiento de este diagrama es similar al del diagrama anterior.

1.5.3. DIAGRAMA PRESIÓN-TEMPERATURA (P - T).

Se le conoce también como diagrama de fases; ya que determina bajo qué condiciones prevalece

cada una de las fases (líquida, sólida y vapor). Para definir el estado de un gas o vapor se debe

definir únicamente dos propiedades intensivas independientes (presión y temperatura, presión y

calidad, temperatura y calidad, entalpía y calidad, entalpía y entropía, etc).

En el diagrama de fases se puede observar el punto triple, que es aquel en el cual pueden coexistir

los tres estados en equilibrio (sólido, líquido y vapor). Se muestra también el punto o estado crítico,

que es aquel en el cual arriba de él es imposible una transformación de fase.


29

La curva que separa la fase líquida de la fase vapor recibe el nombre de curva de evaporación. Esta

curva tiene como extremo superior el punto crítico; se le llama también curva del punto de

ebullición. La pendiente de la curva de evaporación es positiva para cualquier sustancia pura

compresible, lo que significa que la temperatura a la cual el líquido alcanza la ebullición aumenta al

incrementarse la presión.

La curva que separa la fase sólida de la líquida recibe el nombre de curva de fusión o curva de

congelación; constituye el comportamiento: sólido-líquido. La pendiente de esta curva en el caso de

una sustancia que se contrae durante la congelación es positiva. El agua se expande durante la

congelación o sea que la pendiente de la curva es negativa, lo que significa que el punto de fusión

del hielo disminuye conforme aumenta la presión.

La curva que separa la fase sólida de la fase gaseosa se llama curva de sublimación y constituye la

proyección de la región sólido-vapor. La pendiente de esta curva es positiva para todas las

sustancias simples compresibles. Un sólido se puede sublimar [cambio de estado gaseoso a vapor]

solo cuando se encuentra a una presión y temperatura menores que la correspondiente al punto

triple.


30

1.5.4.- TABLA DE PROPIEDADES.

Las relaciones entre las propiedades termodinámicas de las sustancias puras compresibles se

representan por medio de tablas. Las relaciones termodinámicas de los vapores puros se

representan en tablas de vapor saturado (Sistema en región de líquido saturado, mezcla vapor-

líquido o vapor saturado) y tablas de vapor sobrecalentado (Sistema en región de

sobrecalentamiento).

LÍQUIDO SATURADO Y VAPOR SATURADO

Representan estados de equilibrio como líquido y como vapor seco. El subíndice f se utiliza para

líquido saturado y el subíndice g para vapor saturado. En el caso de una mezcla líquido vapor, la

entalpía, volumen específico o entropía resultante o sea el valor total del sistema en un estado

específico entre el líquido saturado y vapor saturado se designará por el estado correspondiente al

sistema: entalpía en estado 2 = h2, volumen específico en estado 1 = v1, etc.

En estos puntos la mezcla vapor-líquido en equilibrio, la diferencia se designa por el subíndice fg,

vgr: la diferencia en el volumen específico se designa como v fg, la diferencia entre los valores

entálpicos se designa por hfg. La entalpía de evaporación se designa como hfg.

TABLA DE VAPOR SATURADO (TABLA DE TEMPERATURA)

Temperatura

ºC

Presión de saturación

kPa

Volumen específicom3/kg

EntalpíaKJ/kg

Liquido saturado

Vf

Vapor saturado

vg

Líquido saturado

hf

Evaporaciónhfg

Vapor saturado

hg

100 101.35 0.001044 1.6729 419.04 2,257.0 2,676.1

105 120.82 0.001048 1.4194 440.15 2,243.7 2,683.8

110 143.27 0.001052 1.2102 461.30 2,230.2 2,691.5

115 169.06 0.001056 1.0366 482.48 2,216.5 2,699.0


31

TABLA DE VAPOR SOBRECALENTADO

TºC

Vm3/kg

uKJ/kg

hKJ/kg

sKJ/kgºK

Vm3/kg

uKJ/kg

hKJ/kg

sKJ/kgºK

P = 0.20 MPa (120.23ºC) P = 0.30 MPa (133.55ºC)

Sat. 0.8857 2,529.5 2,706.7 7.1272 0.6058 2,543.6 2,725.3 6.9919

150 0.9596 2,576.9 2,768.8 7.2795 0.6339 2,570.8 2,761.0 7.0778

200 1.0803 2,654.4 2,870.5 7.5066 0.7163 2,650.7 2,865.6 7.3115

250 1.1988 2,731.2 2,971.0 7.7086 0.7964 2,728.7 2,967.6 7.5166

300 1.3162 2,808.6 3,071.8 7.8926 0.8753 2,806.7 3,069.3 7.7022

ENTALPIA

En el análisis de cierto tipo de procesos, en particular en la generación de potencia y

refrigeración, a menudo nos encontramos con una combinación de propiedades U+PV . Por

simplicidad y conveniencia, estas combinaciones se definen como una nueva propiedad, la entalpía,

y se representa mediante el símbolo H , o por unidad de masa

h=u+Pv

1.5.5.- CALIDAD Ó MEZCLA SATURADA LÍQUIDO-VAPOR

VAPOR SATURADO + LIQUIDO SATURADO

Durante el proceso de evaporación, la sustancia existe como líquido y como vapor en equilibrio,

dependiendo de la cantidad de líquido y de vapor, Esto es una mezcla de vapor y liquido saturados.

Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de la fase

líquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una nueva propiedad llamada calidad x

como la razón de entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla

x=mvapor

mtotal

Donde

mtotal=mlíquido+mvapor=mf+mg


32

Así la calidad del vapor, la cual se define como la cantidad de masa de vapor con respecto a la

cantidad de masa total de la sustancia.

La calidad solo tiene importancia para mezclas saturadas. No tiene significado en las regiones de

líquido comprimido y vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra entre 0 y 1. La calidad de un

sistema compuesto de líquido saturado es 0 (0%) y la calidad para un sistema compuesto de vapor

saturado es 1 (100%). En mezclas saturadas la calidad puede servir como una de las dos

propiedades intensivas para independientes para definir un estado.

Una mezcla saturada puede tratarse como una combinación de los subsistemas: líquido saturado y

vapor saturado. Sin embargo la cantidad de masa de cada fase se desconoce, una relación para

conocer la cantidad de masa de cada subsistema es:

x=v−v f

v fg

Todos los resultados tienen el mismo formato y se resumen en una sola ecuación:

y prom= y f+xyfg

Donde y, puede ser u, h. El subíndice “prom” (promedio) suele eliminarse por simplicidad, Los

valores de las propiedades promedio de las mezclas siempre están entre los valores de las

propiedades del líquido y vapor saturado.

y f ≤ y fprom ≥ y g


33

1.5.6. ECUACIÓN DE ESTADO DE UN GAS IDEAL

La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando

éste se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta.

La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de estado de

un gas ideal. La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes

empíricas válidas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.

LEY DE BOYLE

La ley de Boyle (1662) da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a

temperatura constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen de un

gas a temperatura constante es constante. Matemáticamente:

LEY DE CHARLES

La ley de Charles (1787) establece que, a presión constante, el cociente entre el volumen que

ocupa un gas y su temperatura, expresada en kelvin (K), es una constante. Matemáticamente, la

ley de Charles se expresa:

Combinando en una sola ecuación la ley de Boyle y la ley de Charles se obtiene:

Para un mol de gas, la constante que aparece en el segundo miembro de la ecuación anterior es la

constante universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:

pv=mRT

Donde n es el número de moles. El valor de R en el Sistema Internacional es:


http://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

34

La ecuación de estado de un gas ideal está basada en la hipótesis de que las interacciones entre las

moléculas de un gas a densidad muy baja son despreciables. Además, en estas condiciones, las

moléculas que constituyen el gas se consideran partículas puntuales. En el modelo de gas ideal, las

sustancias siempre se encuentran en estado gaseoso. Sin embargo, el comportamiento de una

sustancia real es mucho más complejo. Ésta puede experimentar lo que se denomina un cambio

de fase o cambio de estado.

Cuando a una sustancia se le suministra o extrae una cierta cantidad de calor, a nivel microscópico

las interacciones entre sus moléculas cambian y, dependiendo de su estado termodinámico, puede

encontrarse en estado sólido, líquido o vapor, o en una combinación de estos estados.

Para exponer las desviaciones entre un fluido ideal y el real, se ha definido el factor de

compresibilidad Z, dado por la siguiente expresión:

Z= PvRT

y también puede expresarse como:

Z=vreal

v ideal

Para un gas ideal Z=1 y es independiente de la temperatura y presión; para gases reales Z es función

de la temperatura y presión y puede tomar valores entre 0 e infinito.

Z {¿1≅ 1¿1


35

1.5.7.- TRANSFERENCIA DE CALOR.

La transferencia de calor siempre se produce del sistema de temperatura más elevada hacia el de

temperatura más baja. La transferencia de calor se detiene cuando los dos sistemas alcanzan la

misma temperatura. Los mecanismos básicos de transferencia de calor son: CONDUCCIÓN,

CONVECCIÓN y RADIACIÓN.

CONDUCCIÓN.

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la interacción entre partículas

adyacentes del medio. No se produce movimiento macroscópico de las mismas. Puede tener lugar

en sólidos, líquidos y gases aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos

siempre se producirá convección simultáneamente.

La CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (k) es una medida de la capacidad del material para conducir el calor.

Sus unidades en el S.I. son: W / (m* ºC). En general, la conductividad térmica depende de la

temperatura. En la práctica se evalúa la conductividad térmica a la temperatura promedio y se

considera constante. Para los materiales anisótropos ( las propiedades dependen de la dirección

que se considere ) la conductividad térmica depende de la dirección considerada. Por ejemplo, la

conductividad térmica de la madera en sentido transversal a la fibra es diferente a la que se tiene en

sentido paralelo a la misma.

CONVECCIÓN.

La convección es el modo en que se transfiere la energía entre una superficie sólida y el fluido

adyacente (líquido o gas) . Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del

fluido. Existe movimiento macroscópico de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el

movimiento del fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de dicho

movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente sería por

conducción pura.


36

CONVECCIÓN FORZADA: el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios

artificiales ( ventiladores, bombas, etc )

CONVECCIÓN NATURAL: el movimiento del fluido es debido a causas naturales. Las fuerzas

de empuje son inducidas son inducidas por la diferencia de densidad debida a la variación de

temperatura en ese fluido. Por ejemplo la ascensión de las burbujas de vapor durante la

ebullición o el descenso de las gotas de líquido durante la condensación.

RADIACIÓN.

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas, como

resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo que

respecta a la transferencia de calor es de interés la radiación térmica o forma de radiación emitida

por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica suele corresponder a la banda de

frecuencias del infrarrojo. Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absoluto emiten

radiación térmica. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases

emiten, absorben o reflejan radiación en diversos grados. A diferencia de la conducción y la

convección la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La

transferencia de calor por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz. No sufre atenuación

en el vacío.

1.5.8.- EJERCICIOS PROPUESTOS.

Temperatura

Realizarlas siguientes conversiones:

a) Convertir 45º C (Celsius) a grados ºF (Fahrenheit)

b) Convertir 70 ºF (Fahrenheit) a grados ºC (Celsius)

c) Convertir 45º C (Celsius) a grados ºK (Kelvin)


37

Presión.

I – 30. Cengel

Un medidor de vacio conectado a un tanque registra 30 kPa en un sitio donde la lectura

barométrica es de 755 mmHg. Determine la presión absoluta en el tanque.

I - 32. Cengel

Un medidor de presión conectado a un tanque registra 500 kPa en un sitio donde la presión

atmosférica es de 94 kPa. Determine la presión absoluta en el tanque.

Transferencia de Calor. (Tarea)

Investigar y explicar los diferentes mecanismos de transferencia de calor y sus principales

características.

Diagramas Termodinámicos.

Observa cuidadosamente los siguientes diagramas, identifica las curvas que representan los

diversos procesos termodinámicos.

a) Señala con color y el nombre de cada una de las curvas de la gráfica correspondiente.

b) Describe el proceso del fluido según corresponda.


38

Propiedades Termodinámicas.

1. Complete la siguiente tabla para H20.

T, ºC P, kPa v , , m3/kg u , kJ/kg Descripción de fase

5000 Vapor Saturado

250 400

110 600

1393 Líquido Subenfriado

0.06668 1004.8

180 1.1261

2. Complete la siguiente tabla para refrigerante 12 (R12).

T, ºC P, kPa v, m3/kg h, kJ/kg Descripción de fase

70 Vapor Saturado

50 500

2.0346 0.006821

30,0 0,134 873

165.36 182.07

Ubique en un diagrama P – v ó T – v las condiciones del fluido en sus diferentes estado

1.6.- PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Ó PRIMERA LEY

La primera ley de la termodinámica conocida también como el principio de conservación de la

energía, nos dice:

La energía no puede ser creada ni destruida, solo puede ser transformada.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: SISTEMAS CERRADOS (MASA DE CONTROL).

Generalizando la primera ley de la termodinámica Para un sistema cerrado o una masa fija, puede

expresarse como sigue:


39

⟦ Transferencianeta deenergíaa (o del ) sistemacomo calor y trabajo⟧=⟦ Incremento (odecremento )

netoen la energía total del sistema⟧Q−W=ΔE (kJ )

Donde:

Q=Transferencia decalor a travésde las fronterasdel sistema(¿Σ Qent−ΣQ sal)

W=Trabajo netohecho en todaslas formas (¿Σ W sal−Σ W ent)

ΔE=Cambio neto en laenergía totaldel sistema(¿ E2−E1)

La energía total E de un sistema consta de tres partes: energía interna EU, energía cinética EC y

energía potencial EP y su cambio es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y

potencial

ΔE=ΔU+ΔEC+ΔEP(kJ )

Al sustituir la ecuación:

Q−W=ΔU +ΔEC+ΔEP (kJ )

Donde:

ΔU=m(u¿¿2−u1)¿

ΔEC=12

m(V 22−V 1

2)

ΔEP=mg(z¿¿2−z1)¿

La mayoría de los sistemas cerrados que se encuentran en la práctica son estacionarios, es decir, no

implican ningún cambio en la velocidad o en la elevación de su centro de gravedad durante un

proceso. De modo que para los sistemas cerrados estacionarios, los cambios en la energía cinética

y potencial son despreciables (esto es ΔEC = ΔEP = 0), y la relación de la primera ley se reduce a

Q−W=ΔU (kJ )


40

Si se especifican los estados inicial y final, las energías internas u1 y u2 pueden determinarse con

facilidad a partir de las tablas de propiedades o de algunas relaciones termodinámicas

La aplicación de la primera ley de la termodinámica para un proceso cíclico, donde los estados

inicial y final son idénticos y, en consecuencia ΔE=E2−E1=0, se reduce a la expresión:

Q−W=0 (kJ )

Por otra parte ante la ausencia de interacciones de trabajo entre un sistema y sus alrededores, la

cantidad de transferencia de calor neta es igual al cambio en la energía total de un sistema cerrado.

Q=ΔECuando W=0(kJ )

Los problemas termodinámicos requieren un enfoque sistemático. Es recomendable dominar este

enfoque y usarlo con frecuencia pues resulta de gran ayuda para evitar errores en la solución de los

problemas.

Paso1.Dibujar un esquema e identificar el sistema.

Dibujar un esquema simple que se asemeje al sistema físico. El sistema objeto de análisis

debe identificarse en el dibujo trazando sus fronteras mediante líneas interrumpidas. De

este modo se especifica con claridad la región o sistema al cual se aplicarán las ecuaciones

de conservación.

Paso 2. Liste la información proporcionada sobre el dibujo

En un problema común la información está dispersa y listar los datos proporcionados con los

símbolos apropiados sobre el dibujo permitirá visualizar de inmediato el problema completo.

Las interacciones de calor y trabajo, si existen, deben indicarse también sobre el dibujo con

los signos apropiados.

Paso 3. Verificar los procesos especiales.

Durante un proceso no todas las propiedades cambian. A demás, no todos los procesos

implican interacciones de transferencia de calor y de trabajo simultáneas. A menudo una


41

propiedad clave como la temperatura y presión permanece constante durante el proceso, lo

que simplificaría el análisis. En un sistema de un tanque rígido el volumen específico

permanece constante, por lo que:

v=Vm

Constante→v2−v1(kJ )

Si el proceso fuese isotérmico, tendríamos T 2=T1 y si fuese adiabático, tendríamos Q=0. Si

el sistema no incluye fronteras móviles o cualquier otra forma de trabajo, tendríamos en ese

caso W=0,

Paso 4. Establezca todas las suposiciones.

Las suposiciones simplificadoras nos ayudan a resolver el problema, pero es importante que

sean establecidas y justificadas plenamente y las que sean de una validez cuestionable debe

evitarse. Algunas de las suposiciones hechas con frecuencia es considerar que el proceso

será de cuasiequilibrio, descartando los cambios en la energía cinética y potencial de un

sistema, tratar a un gas como gas ideal y despreciar la transferencia de calor hacia o desde

los sistemas aislados

Paso 5. Aplique las ecuaciones de conservación.

Iniciar con la forma más general de la ecuación de la primera ley de la termodinámica

utilizando las suposiciones aplicables. Los valores numéricos no deben introducirse en las

ecuaciones antes de que ellas se reduzcan a sus formas más simples.

Paso 6. Dibuje un diagrama de proceso (T – v ó P – v).

Los diagramas de proceso, como los diagramas T – v ó P- v, resultan útiles para la

visualización de los estados inicial y final y de la trayectoria del proceso.

Paso 7. Determine las propiedades requeridas y las incógnitas.


42

Las propiedades desconocidas en cualquier estado se determinan con la ayuda de relaciones

o tablas termodinámicas suelen ser validas en un nivel limitado y, en consecuencia se debe

verificar su validez antes de que se empleen, con el fin de evitar cualquier error. La relación

termodinámica que con mayor frecuencia se utiliza en forma incorrecta es la de gas ideal.

Aunque su uso se limita a gases a bajas presiones (en relación con el valor del punto crítico),

algunos la usan para sustancias que incluso no se encuentran en la fase gaseosa. Al leer las

propiedades de una sustancia es necesario

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: SISTEMAS ABIERTOS (VOLUMEN DE CONTROL).

En general cualquier región arbitraria en el espacio puede elegirse como volumen de control. Las

fronteras de un volumen de control reciben el nombre de superficie de control y son tanto reales

como imaginarias. Un volumen de control tiene un tamaño y forma fijos, pero también incluye

fronteras móviles. Sin embargo la mayoría de los volúmenes de control y por ello no implican

ningún trabajo de la frontera móvil. Un volumen de control también implica interacciones de calor y

trabajo igual que en un sistema cerrado, además de la interacción de la masa.

Los términos permanente y uniforme, se usan con amplitud para el análisis de los sistemas abiertos.

El término permanente indica que no hay cambio con el tiempo. El opuesto de permanente es el

transitorio o no permanente. Por otro lado, el término uniforme implica que no hay cambio con la

posición sobre una región especificada.

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA.

Es uno de los principios que fundamentan la naturaleza. En el caso de volúmenes de control la masa

puede cruzar las fronteras por lo que debe seguirse con atención la cantidad de masa que entra y

sale del volumen de control.

El principio de conservación de la masa para un volumen de control sometido a un proceso se

expresa como sigue:


43

( Masatotal entrante alVC )−( Masa total saliente delVC )=(Cambio neto en lamasa dentrodel VC )

Σ ment−Σ msal=Δ mVC

1.7.- RELACIONES DE FLUJO DE MASA Y DE VOLUMEN

La cantidad de masa que fluye en una sección transversal por unidad de tiempo se denomina

relación de flujo de masa y se denota como m. Un líquido o un gas fluyen hacia o afuera de un

volumen de control a través de ductos o tubería. La relación de flujo de masa de un fluido que

circula en una tubería o ducto es proporcional al área de a sección transversal A de la tubería o

ducto, a la densidad y a la velocidad del fluido.

m=ρ V pro A

Donde:

ρ=Densidad , kg/m3

V pro=Velocidad promedio del fluido normal ,ms

A=Área de la sección transversalnormal ala dirección normal ,m2

El volumen de fluido que circula a través de una sección transversal por unidad de tiempo se llama

relación de flujo de volumen

V=V pro A (m3

s)

Las relaciones de masa y de volumen se relacionan por

m=ρ V =Vv

1.8.- PROCESO DE FLUJO PERMANENTE.

CONSERVACIÓN DE LA MASA

Durante un proceso de flujo permanente la cantidad de masa contenida dentro del volumen de

control no cambia en el tiempo mvc=constante. El principio de conservación de la masa indica que


44

la cantidad total de masa que entra a un volumen de control es igual a la cantidad de masa que

sale de él.

( Masatotal entrante alVC por unidad de tiempo )= (Masa total saliente del VC por unidad de tiempo )

˙m1=m2

ρ1 V 1 A1=ρ2V 2 A2

1v1

V 1 A1=1v2

V 2 A2

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.

El principio de de conservación de la energía para un sistema de flujo permanente general con

entradas y salidas múltiples puede expresarse como.

˙Q−W=∑

˙msal(hsal+

V sal2

2¿+gzsal )−¿∑

˙ment(hent+

V ent2

2¿+gzent)¿¿¿

Y para sistemas de flujo permanente de una sola corriente, se convierte en:

˙Q−W= ˙m ¿¿¿

Si el fluido experimenta un cambio despreciable en sus energías cinética y potencial cuando fluye a

través del volumen de control, la ecuación se reduce a:

˙Q−W=Δh ( kJ

kg)


45

1.9.- EJERCICIOS PROPUESTOS

Sistemas Cerrados.

Cengel. 3.66

Se calienta agua en una cacerola tapada sobre una estufa, mientras se agitan por medio de una

hélice. Durante el proceso se añaden 30 kJ de calor al agua y 5 kJ se liberan hacia el aire de los

alrededores. El trabajo de la hélice asciende 500 Nm. Determine la energía final del sistema si su

energía inicial es de 10 kJ

Cengel. 3.68

Cengel, Ejemplo 4.3

Aire a 100 kPa y 280 K se comprime permanentemente hasta 600 kPa y 400 K. La relación de flujo

de masas del aire es de 0.02 kg/seg y hay una pérdida de calor de 16 kJ/kg durante el proceso. Si

se supone que los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables, determine la

entrada de potencia necesaria para el compresor.

Cengel, Ejemplo 4.4

La salida de potencia de una turbina de vapor adiabática es de 5 MW y las condiciones el vapor a

la entrada y la salida so como se indican en la figura. Determine el trabajo realizado por unidad de

masa del vapor que circula a través de la turbina

Cengel, Ejemplo 5.3

Cengel, Ejemplo 5.4

Cengel, Ejemplo 5.5


46

1.10.- SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Ó SEGUNDA LEY

La segunda ley de la termodinámica, no se limita a identificar la dirección de los procesos.la segunda

ley afirma que la energía tiene calidad así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la

cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. La segunda

ley proporciona los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación

de de la energía durante un proceso.

En forma general podemos decir que la mayor parte de la energía de alta temperatura es

convertible en trabajo, y por ello tiene una calidad más alta que la misma cantidad de energía a una

temperatura más baja. La segunda ley es útil para la determinación de los límites teóricos en el

funcionamiento de sistemas como las máquinas térmicas y los refrigeradores.

1.10.1.- MAQUINAS TERMICAS

El trabajo puede convertirse facilmente en otras formas de energía, pero convertir otras formas de

energía en trabajo en trabajo no es sencillo. Esta observación concluye que el trabajo puesde

convertirse en calor directa y completamente, pero convertir el calor a trabajo requiere de

algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas termicas.Las máquinas

térmicas difieren entre ellas, aunque todas se caracterizan por lo siguiente:

1. Reciben calor de una fuente de alta temperatura.

2. Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje de rotación)

3. Liberan calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmosfera,

ríos etc.)

4. Operan en un ciclo.

El fuido al y desde el cual el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo se llama Fluido de

trabajo. El término máquina térmica muchas veces tiene un sentido más amplio para incluir

dispositivos que producen trabajo que no operan dentro de un ciclo termodinamico. Máquinas

que involucran combustión interna como las turbinas de gas y los motores de combustión interna


47

entran en esta categoria. Estos dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en un ciclo

termodinamico, ya que el fluido de trabajo no se somete a un ciclo completo.

1.10.2.- CICLO DE CARNOT

El llamado motor térmico ó motor de Carnot trabaja cuando le damos una cantidad de calor

QENTRA desde una fuente a alta temperatura y le eliminamos un calor QSALE hacia otra fuente a

baja temperatura, produciendo un trabajo W. El rendimiento viene definido, como en todo

proceso cíclico, por:

W=QE−QS

ηTÉRMICO=WQE

=QE−QS

QE

=1−QS

QE

El ciclo de Carnot es un ciclo reversible compuesto de cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos

y dos adiabáticos. Los principios de Carnot establecen que las eficiencias térmicas de todas las

máquinas reversibles que operan entre los mismos depósitos son iguales, y que ninguna máquina

térmica es más eficiente que una reversible operando entre los mismos dos depósitos. Estos

enunciados forman la base para establecer una escala termodinámica de temperatura, llamada

también escala Kelvin, relacionada con la transferencia de calor entre un dispositivo reversible y los

depósitos de alta y baja temperatura por medio de:

(QE

Q S)rev

=T A

T B

Por consiguiente, el cociente QH

QL puede ser sustituido por

T H

T L para dispositivos reversibles, donde

TH y TL son las temperaturas absolutas de los depósitos de alta y baja temperatura

respectivamente. Analizando los valores del calor que entra y que sale, se demuestra que la

expresión del rendimiento se transforma en:


48

ηTÉRMICO=1−T B

T A

De esta expresión se deducen dos consecuencias:

1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se

alcanzan en el ciclo.

2. El rendimiento es mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y menor es la

temperatura baja.

Las etapas de este motor imaginario serían las siguientes:

En el proceso 1-2 se da calor al aire del

cilindro, manteniendo la temperatura

constante e igual a la de la fuente a alta

temperatura TA. Esto provoca un

aumento de volumen y de presión, por

lo cual, todo el calor transferido es

convertido en trabajo.

En el proceso 2-3 se permite una

expansión adiabática sin intercambio de

calor con el exterior, a fin de disminuir la

temperatura y a costa de perder presión.

En el proceso 3-4 se pone en contacto el

sistema con la fuente de calor a baja

temperatura TB y el gas comienza a

comprimirse, pero no aumenta su


49

temperatura porque va cediendo calor a

la fuente fría. Al no cambiar la

temperatura tampoco lo hace la energía

interna, y la cesión de calor implica que

hay que hacer un trabajo sobre el

sistema.

Por último, en el proceso 4-1 se mantiene

aislado térmicamente el sistema mientras

se comprime, con lo cual aumenta su

temperatura hasta el estado inicial. La

energía interna aumenta y el calor es

nulo, habiendo que comunicar un trabajo

al sistema.

Se dice que un proceso será irreversible si tanto el sistema como sus alrededores pueden regresar a

sus condiciones originales. Cualquier otro proceso es irreversible. Efectos como la fricción, la

expansión o compresión en no cuasiequilibrio, la transferencia de calor a través de una diferencia

de temperatura finita, producen un proceso irreversible y se llaman irreversibilidades.

Carnot enunció otros dos principios:

- No existe ninguna máquina que genere trabajo de forma continua si sólo le damos energía

calorífica y no la refrigeramos. Este principio es una de las definiciones de la llamada

segunda ley de la Termodinámica.

- No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos temperaturas dadas tenga

mayor rendimiento que una de Carnot.


120 kPa-20 ºC

800 kPa60 ºC

800 kPa30 ºC

120 kPa-25 ºC

50

1.10.3.- MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

Este tipo de máquinas térmicas obtienen una transferencia de calor entre dos recintos que están a

distinta temperatura. Dependiendo de cómo sea la transferencia buscada, tenemos dos tipos de

máquinas:

- Un frigorífico recibe trabajo para absorber calor de un recinto a baja temperatura y

expulsarlo en otro a temperatura superior.

- -Una bomba de calor utiliza el trabajo para calentar un recinto a alta temperatura

obteniendo calor de otro espacio a menor temperatura.

Los componentes de una máquina frigorífica deben ser, como mínimo, los cuatro siguientes:- Compresor: Donde se aumenta la presión del fluido

de forma adiabática. En este proceso se aumenta considerablemente la temperatura del gas.

- Condensador: El fluido a temperatura elevada atraviesa un intercambiador donde libera el calor a presión constante.

- Regulador o Válvula de expansión: Es un estrangulamiento donde la presión y temperatura de del fluido disminuyen drásticamente.

Evaporador: El fluido es liberado en este elemento, donde se expande a presión constante, absorbiendo calor.

Los nombres anteriores se deben a que el ciclo más ampliamente utilizado es la refrigeración por

compresión de vapor, que consiste en evaporar un fluido dentro de un recinto, del cual absorbe

calor al cambiar de estado.

Después, un compresor se encarga de

comprimirlo de nuevo, aumentando la

presión, lo que además produce que

aumente su temperatura.


51

Esto facilita que en otro intercambiador

de calor el líquido ceda calor,

enfriándose.

A continuación pasa por un

estrechamiento o válvula de expansión,

donde disminuye su presión y

temperatura drásticamente.

Posteriormente la cual pasa de nuevo al

evaporador, donde pierde bruscamente

presión, razón por la que se evapora y se

enfría, y se vuelve a repetir el ciclo.


52

En estos ciclos, el rendimiento térmico recibe el nombre de Coeficiente de Operación (COP) y,

como siempre, viene dado por la relación entre lo que se obtiene (absorber o ceder calor) y lo que

se gasta (trabajo), obteniéndose valores superiores al 100%.

Motor térmico Máquina frigorífica Bomba de calor

Para calcular el COP de una máquina frigorífica siempre se expresa como un porcentaje de la

máquina frigorífica ideal de Carnot. Para calcular éste, recordemos el rendimiento del motor de

Carnot:

ηMOTOR=WQE

=1−T B

T A

Y el COP de la máquina frigorífica de Carnot se obtiene fácilmente:

COPFRIGO=QE

W=

Q S−W

W=

T B

T A−T B

La bomba de calor de Carnot se obtiene invirtiendo el funcionamiento del motor de Carnot, por lo

tanto:

COPBOMBA CALOR=Q S

W=

T A

T A−T B


53

Las eficiencias térmicas de máquinas térmicas reales y reversibles que operan entre los mismos

limites de temperatura se comparan de la manera siguiente:

ηt={¿ηt ,rev máquina térmica irreversible¿ηt ,rev máquina térmica reversible¿ηt ,rev máquina térmica imposible

Problemas

Con una bomba de calor se cubren las necesidades de calefacción de una casa al mantenerla a 20

ºC. Un día, cuando la temperatura del aire exterior disminuye a -2 ºC, se estima que la casa pierde

calor a una relación de 80 000 kJ/h. Si en estas condiciones la bomba de calor tiene un COP de 2.5

determine la potencia consumida por la bomba de calor.

Una máquina de Carnot recibe 500 kJ de calor por ciclo de una fuente de alta temperatura a 625 ºC

y desecha calor en un sumidero de baja temperatura a 30 ºC. Determine la eficiencia térmica d esta

máquina de Carnot.

ENTROPÍA.

La segunda ley de la termodinámica conduce a la definición de una nueva propiedad llamada

entropía, que es una medida del cuantitativa del desorden microscópico o molecular en un

sistema, en termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la

parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de

carácter extensivo. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.El

concepto de entropía nace de la necesidad de cuantificar el segundo principio.

La función entropía (S) se define:

Y es una función de estado, ya que su integral evaluada en una trayectoria cerrada es nula. En el

Sistema Internacional, la unidad de entropía es el J/K. Si un ciclo de se recorre irreversiblemente,

habría que utilizar el signo menor en la discusión anterior, por lo que la forma final de la integral

en un circuito cerrado es:

∆ S=S2−S1


http://es.wikipedia.org/wiki/Propiedades_intensivas_y_extensivas

http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_estado

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica

54

1.10.4.- ANALISIS DE LA SEGUNDA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS.

El sistema cerrado no se supone permanente respecto de sus alrededores, por lo que no

experimenta cambio alguno en su energía cinética ni potencial. La primera y segunda leyes de la

termodinámica para este sistema cerrado puede expresarse como sigue:

Primera Ley: ˙Q−W=U 2−U 1

Segunda Ley:˙˙

Sgen=¿(S¿¿2− S1)sis+Qaire

T aire

¿¿

Donde T aire=T0,Qaire=−Q, y Sgen es la cantidad de entropía generada (cambio de entropía total)

en el proceso. Si se elimina el término de la transferencia de calor entre las dos ecuaciones y se

resuelve W, se obtiene:

˙W u=(U 2¿−U 1)−T o (S1−S2 )−T o Sgen¿

Que es el trabajo real total realizado durante el proceso. Si el volumen del sistema cambia

durante el proceso, parte de este trabajo es efectuado por (o contra) los alrededores. Entonces

el trabajo útil que es la diferencia entre el trabajo real y sus alrededores, se vuelve:

˙W u=W−W aire=W−Po(V 2−V 2)

˙W u=¿¿¿

Los procesos reversibles no generan entropía, por eso Sgen=0, en este caso. El trabajo útil

realizado durante este proceso es el trabajo reversible W rev, igualándose el término de la

generación de entropía Sgen, obteniéndose:

˙W rev=(U ¿−U 0)=T o (S1−S2 )+Po (V 2−V 2 )(kJ )¿

Siendo el trabajo útil máximo que un sistema puede realizar cuando un sistema cerrado cambia

del estado 1 al estado 2 mientras intercambia calor solo con los alrededores T 0 y P0.


55

1.10.5.- ANALISIS DE LA SEGUNDA LEY PARA SISTEMAS DE FLUJO PERMANENTE.

Primera Ley:

˙Q−W=∑

˙msal(hsal+

V sal2

2¿+gzsal )−¿∑

˙ment(hent+

V ent2

2¿+gzent)¿¿¿

Segunda Ley:

˙Sgen=∑ ˙ms ss−¿∑ ˙ms ss+

Q aire

T 0

¿

Donde, Qaire=−Q, y Sgen es la cantidad de entropía generada (cambio de entropía total) en el

proceso. Si se elimina el término de la transferencia de calor entre las dos ecuaciones y se

resuelve W, se obtiene:

˙Q−W=∑

˙me (he+

V e2

2¿+gze−T 0 Se)−¿∑

˙ms(hs+

V s2

2¿+gzs−T 0 Ss)−T 0 Sgen ¿¿¿

Este es el trabajo real realizado durante el proceso el cual también es el trabajo útil, por que los

dispositivos de flujo permanente tienen frontera fijas y no incluyen ningún trabajo efectuado por

o en contra los alrededores, el trabajo reversible se obtiene al igualar a cero el término de la

generación de entropía Sgen.

˙Q−W=∑

˙me (he+

V e2

2¿+gze−T 0 Se)−¿∑

˙ms(hs+

V s2

2¿+gzs−T 0 Ss)(kW )¿¿¿

Para una sola corriente de fluido que entra y sale de un dispositivo de flujo permanente,

˙˙W rev=∑ ˙me ¿¿¿¿


56

1.10.6.- CICLO RANKINE

El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales

termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del

vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su

camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido

para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la

caldera.

En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o

bomba, al que se aporta un pequeño trabajo.

El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la

caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura

máxima.


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La expansión del proceso 3-4 se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina

desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al

condensador.

- El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador

hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo.

El rendimiento ideal de este ciclo tiene el mismo valor que el ciclo de Carnot:


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Aunque jamás se alcanzan valores tan elevados. Para mejorar en lo posible el aprovechamiento del

combustible quemado se somete al fluido a una serie de procesos que tienen como objeto

aumentar el área encerrada por el diagrama. Entre éstos destacan los siguientes:

- Precalentamiento del agua comprimida con los gases que escapan por la chimenea de la

caldera. No aumenta el área del diagrama, pero sí reduce el calor que se debe introducir al

ciclo.

- Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina haciéndolo pasar por la caldera y

después por otra turbina de baja presión.

- Regeneración, que consiste en extraer parte del vapor de la turbina para precalentar el

líquido antes de entrar a la caldera.

Practica No.1

Dimensionar termodinámicamente un sistema frigorífico (clima de ventana)

1. Identificar los componentes.

2. Describir el ciclo de trabajo del refrigerante a través de un diagrama P -v.

3. Describir la operación de cada componente dentro de este sistema.


59

UNIDAD II

CALDERAS2.1.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La operación de las Calderas, se basa fundamentalmente en la transferencia de calor que

ocurre al quemarse un combustible y el agua contenida o circulante dentro de un

recipiente metálico.

DEFINICIONES

La definición de caldera industrial señala que son dispositivos empleados para calentar

agua o generar vapor a una presión muy superior a la atmosférica

Las Calderas o son instalaciones que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o

gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar

vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión

constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de

estado.

Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un fluido en un

intercambiador de calor, produciendo un cambio de fase. Además son recipientes a

presión, para lo cual son construidas en acero.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el

segundo genera vapor sobrecalentado.

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2.1.1.- OPERACIÓN DE UNA CALDERA.

ELEMENTOS QUE COMPONEN UNA CALDERA.

A continuación se describen las partes esenciales y algunas opciones necesarias para producir vapor

por medio del calor liberado durante combustión de un combustible. Estos elementos son los

siguientes:

1. Un equipo para introducir aire (oxigeno)

2. Un equipo para liberar calor del combustible.

3. Una cámara de combustión.

4. Un medio para absorber el calor liberado.

5. Un sistema para producir el tiro de los gases residuales.

6. Un medio de reposición del agua.

7. Un medio para capturar el vapor generado (distribución).

8. Un medidor de la presión del vapor y un indicador de nivel del agua.

9. Un medio o medios para coordinar el funcionamiento.

10. Dispositivos de seguridad mecánico (válvula de relevo).

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1. Equipo para liberar el calor del combustible.- Este equipo es básicamente el quemador, del

cual existen varios tipos según el combustible que se use, la capacidad y la forma de operar,

principalmente.

2. Una cámara de combustión.- Es el espacio en donde se efectúa la oxidación del combustible

o sea la reacción química entre el combustible y él oxigeno del aire, con desprendimiento de

luz y calor. Esta cámara asume diferentes formas según el tipo de caldera.

3. Un medio para absorber el calor liberado.- El calor liberado durante la combustión debe

pasar al agua para producir su vaporización pero sin que exista en ningún momento contacto

directo entre los productos de la combustión y el agua o el vapor, ambos medios se

encuentran separados por tubos, placas y otras superficies metálicas que constituyen los que

se llama superficie de calefacción. Formando una variedad de intercambiador de calor.

4. Un sistema para producir el tiro.- El aire necesario para suministrar él oxigeno para efectuar

la combustión así como los productos de dicha combustión deben desplazarse

adecuadamente a través de la caldera y ser desalojados a la atmósfera, esto se logra creando

una corriente de aire a la que se denomina "Tiro", la cual puede obtenerse por medios

naturales o mecánicos.

5. Un medio de reposición del agua.- En la medida en que se va produciendo el vapor, el nivel

del agua va bajando, como el nivel del agua en la caldera debe conservarse dentro de límites

definidos, es necesario suministrar agua nueva a la caldera para mantener el agua dentro de

los limites definidos de operación pues si no se hace así pueden presentarse riesgos graves,

los que pueden llegar hasta producir una explosión súbita. La reposición del agua

recalentador del vapor, estos son intercambiadores de calor, opcionales, cuya función es

obtener con el máximo aprovechamiento el calor que aun contienen los gases producto de la

combustión.

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2.2.- TIPOS DE CALDERAS.

CLASIFICACION DE LAS CALDERAS

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales

puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos (Por la

disposición de los fluidos); calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características

se indican a continuación.

CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un

combustible, son los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de

la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por

radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz

tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección.

Según sea una o varias las veces que los gases pasan a

través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de

varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en

cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un

determinado número de tubos, cosa que se logra

mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez

realizado el intercambio térmico, los humos son

expulsados al exterior a través de la chimenea. Manejan

presiones de operación de 0-300 PSIG.

Ventajas:

Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.

Mayor flexibilidad de operación.

Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.

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Son pequeñas y eficientes.

Inconvenientes:

Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.

No son empleables para altas presiones.

CALDERAS ACUOTUBULARES.

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua laº que circula por el

interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del hogar que constituye la superficie

de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de

intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente

refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de

radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son

conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y

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constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la

atmósfera a través de la chimenea. Manejan presiones de operación de 0-2200 PSIG.

Ventajas:

Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 o más psi.

Inconvenientes:

Mayor tamaño y peso, mayor costo.

Debe ser alimentada con agua de gran pureza.

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OTRAS CLASIFICACIONES.

Por su configuración

Verticales.

Horizontales.

Por el mecanismo de transmisión de calor dominante.

Convección

Radiación

Radiación y Convección.

Por el combustible empleado

Combustibles sólidos

Combustibles líquidos

Combustibles gaseosos

Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.)

De recuperación de calor de gases

Mixtas

Nucleares

Por el modo de gobernar la operación

De tiro natural

De hogar presurizado

De operación manual

Semiautomáticos

Automáticos

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2.3.- MANTENIMIENTO EN CALDERAS

Desarrollar un programa de mantenimiento permite que la caldera funcione con un mínimo de

paradas en producción, minimiza costos de operación y permite un seguro funcionamiento. El

mantenimiento en calderas puede ser de tres tipos:

Correctivo.

Preventivo.

Predictivo.

El mantenimiento en calderas debe ser una actividad rutinaria, muy bien controlada en el tiempo.

Es por ellos que se recomiendan las siguientes actividades a corto, media y largo plazo.

MANTENIMIENTO DIARIO

1) Ciclo de funcionamiento del quemador.

2) Control de la bomba de alimentación.

3) Ubicación de todos los protectores de seguridad.

4) Control rígido de las purgas.

5) Purga diaria de columna de agua.

6) Procedimiento en caso de falla de suministro.

7) Tipo de frecuencia de lubricación de suministro de motores y rodamientos.

8) Limpieza de la boquilla del quemador y del electrodo de encendido (si es posible).

9) Verificación de la temperatura de agua de alimentación.

10) Verificación de limpieza de mallas a la entrada del aire al ventilador, filtro de aire en el

compresor, filtros de combustible, área de la caldera y sus controles.

11) Precauciones al dejar la caldera fuera de servicio, en las noches o fines de semana.

12) Verificación de combustión.

13) Verificación de presión, producción de vapor y consumo de combustible.

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MANTENIMIENTO MENSUAL

1) Limpieza de polvo en controles eléctricos y revisión de contactos.

2) Limpieza de filtros de las líneas de combustible, aire y vapor.

3) Mantenimiento a todo el sistema de agua: filtros, tanques, válvulas, bomba, etc.

4) Engrasar motores.

5) Desmonte y limpieza del sistema de combustión.

6) Verificar estado de la cámara de combustión y refractarios.

7) Verificar estado de trampas de vapor.

8) Limpieza cuidadosa de columna de agua.

9) Verificar acoples y motores.

10) Verificar asientos de válvulas y grifos.

11) Verificar bloqueos de protección en el programador.

12) Dependiendo del combustible incluir limpieza del sistema de circulación de gases.

MANTENIMIENTO SEMESTRAL

Se incluye el programa mensual, adicionando:

1) Lavado interior al lado del agua, removiendo incrustaciones y sedimentos.

2) Verificar si hay indicios de corrosión, picadura o incrustación al lado del agua. Análisis

periódico del agua.

3) Utilizar empaques nuevos en tapas de inspección de mano y hombre.

4) Cambiar correas de motor si es necesario. Revisar su tensión.

5) Limpiar los tubos del lado de fuego, pues el hollín es un aislante térmico.

6) Verificar hermeticidad de las tapas de inspección al llenar la caldera.

2) Verificar el funcionamiento de las válvulas de seguridad.

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MANTENIMIENTO ANUAL

1) Se incluye el programa semestral, adicionando:

2) Cambio de empaques de la bomba de alimentación si es necesario.

3) Mantenimiento de motores en un taller especializado. Desarme total con limpieza y prueba

de aislamientos y bobinas.

4) De acuerdo a un análisis del agua y las condiciones superficiales internas de la caldera, se

determina si es necesario realizar una limpieza química de la caldera.

2.4.- ESPECIFICACIONES PARA EL DISEÑO Y FABRICACIÓN DE RECIPIENTES A PRESIÓN.

Usuarios y Fabricantes de recipientes sometidos a presión, en base a la aplicación de Normas Internacionales y a sus experiencias en el tema, han desarrollado ciertas prácticas comunes que han resultado ser ventajosas para encarar el proceso del diseño y construcción de los nuevos recipientes sometidos a presión . Las presentes Especificaciones, que incluyen a aquellas prácticas mas ampliamente aceptadas y utilizadas, nos permitirán interpretar mejor los procedimientos y alternativas prescriptas por la Norma al conocer de antemano conceptos generales de diseño y de construcción, las que ahora podrán ser fácilmente interpretadas con la simple lectura de la mismas.

A - GENERALIDADES

. Si bien existen varias Normas que son de aplicación, elaboradas por paises de reconocida capacidad técnica en la materia, la Norma internacionalmente mas reconocida y de uso mas común, es la Secc VIII Div.1 “Pressure Vessels” del Código ASME (American Society of Mechanical Engineers). Esta Norma, cubre el diseño, la selección de materiales, la fabricación, la inspección, las pruebas, los criterios de

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aprobación y la documentación resultante de las distintas etapas a cumplir

. El Adquirente de un recipiente, debe informar al Fabricante sus requisitos operativos (presión y temperatura) tipo y características de fluido, capacidad volumétrica, forma de sustentación, limitaciones dimensionales del lugar de emplazamiento y cualquier otra característica particular que deba ser considerada. Si se cuenta con un anteproyecto previo, podrá incluir también la especificación del material constructivo, tipo de cabezales, accesorios operativos y de inspección, nivel del control de soldaduras, terminación superficial, tolerancia por corrosión, etc.

. El Fabricante, que es el único responsable del cumplimiento de todos los requisitos establecidos por la Norma, previo a la presupuestación, deberá verificar la viabilidad de todos los requerimientos solicitados, determinar el procedimiento y forma de realizar las soldaduras, la inspección considerada para las mismas, definir la tolerancia por corrosión aconsejable, calcular todos los espesores requeridos por las partes a presión para las condiciones de servicio y finalmente constatar la disponibilidad en el mercado de los materiales que se prevee utilizar en la construcción.

. El Fabricante siempre debe tratar de seleccionar materiales que puedan ser calificables bajo Código ASME; deberá además, detallar tipo y forma constructiva de los cabezales, determinar el tratamiento térmico (en los casos que corresponda), las características y dimensiones requeridas para los accesorios soldados y toda otra información que pueda resultar necesaria para una correcta definición y evaluación del suministro a realizar.

. Cuando el Adquirente suministre la Ingeniería básica, especificando los espesores requeridos, el Fabricante se limitará a verificar que los espesores de cálculo, adicionada la tolerancia por corrosión, no superen los valores solicitados, ya que ésta es una responsabilidad de la que nunca podrá ser eximido, aunque los cálculos hayan sido entregados por el Adquirente.

. Acordada la provisión del recipiente y previo a la iniciación de su construcción, el Fabricante deberá presentar al Adquirente la documentación siguiente:

Planilla de datos básicos de diseño

Plano constructivo en formato IRAM Memorias de cálculo de envolvente, cabezales y demás componentes que en cada caso

corresponda incluir. Lista de materiales

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Planilla de calificación del(los) procedimiento(s) de soldadura, avalados por Inspector Nivelado

Certificado de calificación de habilidad de los Soldadores/Operadores Programa de Fabricación y Plan de Inspecciones previsto para el control de fabricación. Certificado de Usina de las chapas ó en su defecto, de Laboratorio reconocido que certifique

por los análisis físico y químico la calidad de la chapa a utilizar. Documentación requerida para que, junto con los respaldos del control de fabricación,

permita tramitar la aprobación del recipiente ante el Ente Estatal que corresponda s/requerimientos.

B - DISEÑO

La Secc VIII Div1 y Div 2 del Código, son parte de los denominados Códigos de Construcción de ASME. Los mismos contienen todo lo concerniente al diseño, la fabricación y el correspondiente control. A su vez, también hacen referencia a las fuentes de consulta sobre aspectos específicos tales como Materiales, Soldaduras y Ensayos no Destructivos, a los que denomina Códigos de Referencia. Estos son: Secc.II: Materiales – Secc.V: Ensayos no Destructivos – Secc.IX: Calificación de Soldaduras, los que también deben ser cumplidos por los Fabricantes en la medida que el Código de Construcción invoque determinado requerimiento y remita al Código de Referencia correspondiente. Si bien, en la gran mayoría de los casos se diseña y fabrica bajo la Secc VIII Div1, también se dispone de la Div 2: Reglas Alternativas; esta Norma permite el diseño por Análisis de Tensiones, resultando muy necesaria para el cálculo de grandes recipientes, espesores gruesos de pared, condiciones de servicio severas, etc.

1. El criterio de diseño utilizado por la Secc VIII Div 1, establece que el espesor de pared de un recipiente a presión, deberá ser tal que las tensiones generadas por la presión, no deben exceder el valor de la tensión admisible del material.

2. La tensión admisible a la tracción para cada material, resultará de dividir por 3,5 a la tensión de rotura de ese material a la temperatura de diseño.

3. No obstante que los valores de tensión de rotura que figuren en los certificados de Usina ó que resulten de ensayos posteriores, tengan valores por arriba del valor que para ese material y esa temperatura se establece en la Secc.II, este último es a partir del cual se tomará la tensión admisible a utilizar en el cálculo.

4. La presión de trabajo máxima permitida, estará limitada por la envolvente ó los cabezales y no por partes menores.

5. Los recipientes cubiertos por la Secc. VIII Div1, serán diseñados para las mas severas condiciones coincidentes de presión y temperatura previstas para las condiciones normales de operación que le son requeridas. Consecuentemente, la presión de diseño será la máxima

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de trabajo admitida por el recipiente sin que se supere la tensión admisible del material en el punto mas comprometido.

6. Los recipientes sometidos a presión, deberán ser diseñados para poder soportar las tensiones debidas a las cargas ejercidas por la presión interna ó externa, el peso del recipiente lleno de líquido y toda otra solicitación que agregue tensiones sobre las partes que lo componen.

7. En el caso de tanques horizontales con longitud considerable y 2 cunas de apoyo, además del peso propio y de elementos interiores, deben ser calculadas solicitaciones generadas en los apoyos y en el centro de la luz por el peso del líquido durante la realización de la Prueba Hidráulica, los que suman esfuerzos de tracción en esas zonas que son las mas comprometidas.

8. En los recipientes cilíndricos verticales de altura considerable, también deberán ser verificadas las tensiones que provocan, además de la presión, otros factores tales como las cargas excéntricas, la acción del viento y las cargas sísmicas (si correspondiere); asimismo, también deben ser considerados el efecto de la temperatura si fuere el caso, la posibilidad de cargas de impacto, etc. El análisis debe concentrarse en la verificación de la condición mas desfavorable, provocada por su efecto combinado. En general se acepta que los recipientes verticales de altura considerable (caso torres de destilación), deban diseñarse con espesores variables, de manera tal que bajo las condiciones de operación normales, admitan una deflección no mayor de 6” por cada 100 piés de altura, bajo la velocidad máxima del viento tenida en cuenta para el diseño. Tolerancia por corrosión: Las superficies interiores de un recipiente, al estar en contacto con el fluido, pueden estar expuestas a sufrir la pérdida de espesor por efecto de la corrosión y en el caso de movimiento de sólidos en suspensión, por erosión ó abrasión mecánica. El Código no permite que el espesor mínimo de la envolvente y de los cabezales (luego de conformados) de un recipiente a presión, sea menor a 1/16” (1,59 mm), excluida la tolerancia por corrosión; en todos los casos en los que se considere que esta pudiere aparecer, se debe sumar un sobreespesor adicional al de cálculo; está establecido como recomendable, adicionar un valor del orden de 1/16”, con lo cual el espesor mínimo, no debería ser menor de 1/8” (3,17 mm). En el caso de recipientes para aire comprimido, vapor de agua ó agua a presión, el espesor mínimo será de 3/32”(2,38 mm) y previéndose corrosión, no debería ser menor de 5/32” (3,97 mm). En el caso de generadores de vapor sin fuego, no será menor de ¼” (6,35 mm) y adicionando la tolerancia por corrosión, no menor de 5/16” (7,93 mm).

9. Será responsabilidad del diseñador establecer en función del fluído y del servicio, el valor que resulte apropiado para permitir una vida útil razonable. Salvo casos especiales, los recipientes a presión deberán ser diseñados para una vida útil no menor de 15 años de operación continuada. En el caso particular de la Normativa de la Provincia de Buenos Aires, la vida útil de un recipiente habilitado, ha sido establecida en 30 años. Esto es un límite temporal válido siempre y cuando el espesor se mantenga por sobre el mínimo admisible por cálculo; cuando el valor medido resulte menor a ese mínimo, la vida útil del recipiente para operar a la presión para la que ha sido diseñado ha concluído, cualquiera sea el tiempo transcurrido desde su puesta en servicio. Como el avance real de una posible corrosión puede responder a factores que no hayan sido previstos, para no correr riesgos, la Norma exige la realización del control periódico de espesores.

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Por lo indicado precedentemente y a los efectos de posibilitar el control periódico, los recipientes deberán contar con aberturas de inspección. Así por ejemplo, el Código establece que los recipientes con diámetro interior hasta 36” deberán contar con una boca de hombre ó 2 cuplas de 2” c/tapón roscado. Los diámetros mayores de 36” siempre deberán contar con boca de hombre con diámetro mayor ó igual a 16”; lo aconsejable es utilizar 18 ó 20”. Cuando exista seguridad de que el fluído no es corrosivo, la boca de hombre podrá ser obviada.

C - FABRICACION

1 – Alcance del suministro: Es criterio generalizado entre los adquirentes de recipientes a presión que conocen y exigen la aplicación de Normas Internacionales, incluir en su requerimiento el alcance siguiente:

Recipiente completo construido conforme a las especificaciones técnicas particulares y generales incluídas en la documentación del Pedido de Cotización, mas aquellas cuya definición ha sido asignada al Proveedor, todo lo cual constará en la oferta de éste y será aceptada por el Adquirente por medio de la correspondiente Orden.

El suministro, como mínimo alcanza hasta los elementos de conexión externa vinculados por soldadura al recipiente, tal como lo son las conexiones bridadas y roscadas.

Bocas de inspección ó control tales como entrada de hombre, entrada de mano y cualquier otro tipo de abertura para esas finalidades. En todos los casos se entiende con las correspondientes tapas ciegas, juntas y bulonería.

Aditamentos externos requeridos para la sustentación del recipiente, tales como cunas, patas, faldones bridados, etc.

Aditamentos internos indicados en planos como soldados directamente al interior de la envolvente.

Elementos necesarios para el transporte y movimientos, tales como orejas ó cáncamos de izaje, rigidizadores, etc.

Bulones y juntas adicionales para ser utilizadas en las pruebas. Certificados del Fabricante de la chapa ó de ensayos locales requeridos por Normas para

constatar la calidad del material. Procedimientos de soldadura calificados por especialista nivelado y soldadores con habilidad

certificada y vigente. Pruebas y ensayos requeridos por Norma, tales como: prueba hidráulica, tratamiento

térmico en los casos en que fuera requerido, radiografiado de soldaduras y todo otro ensayo no destructivo que hubiere sido preestablecido ó que a criterio del Inspector del Adquirente, resultara procedente para evaluar posibles defectos de fabricación.

Placa de Identificación del recipiente, con los datos de Norma y su correspondiente soporte. Trabajos de limpieza y pintura de todas las superficies exteriores ó revestimientos interiores

que se hubieren acordado.

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Preparación para el transporte, carga sobre camión en el Taller del Fabricante y transporte hasta la Planta del Adquirente si así hubiere sido acordado.

Todo otro ó suministro que, aunque no estuviere explícitamente indicado, resulte necesario para una fabricación acorde a la Norma constructiva aplicada y a las mejores reglas del arte.

2 – Detalles constructivos:

El Fabricante deberá desarrollar los planos constructivos necesarios a partir de la documentación de diseño.

Las envolventes deberán ser roladas con un diámetro coincidente con el de transición de los cabezales.

En recipientes con cabezales de diferente espesor que la envolvente se efectuará la transición de espesores sobre el exterior del recipiente. La longitud de transición nunca será menor que 3 veces la diferencia de espesores.

Los cordones longitudinales de las envolventes serán ubicados de manera de no ser afectados por aberturas, placas de refuerzo, cunas de apoyo, etc y permanecer perfectamente visibles.

Para los cordones circunferenciales son válidas las mismas consideraciones pero, si una interferencia es inevitable, el cordón será rebajado a rás de la chapa y examinado radiográficamente previo a la colocación del refuerzo.

No se permitirá ninguna conexión roscada directamente sobre la envolvente ó cabezales, cualquiera fuere su espesor.

Toda conexión que no se prolongue hacia el interior del tanque, terminará a rás de la cara interna y la soldadura se efectuará con penetración completa.

Los refuerzos de conexiones y entradas de hombre, deberán ser calculados conforme lo especifica el Código. El material del refuerzo será el mismo tipo de acero que el utilizado en el recipiente.

Los bordes interiores de las entradas de hombre ó de mano, serán amoladas con un radio mínimo de 6 mm.

Para conexiones de Ø 2” ó menores, es recomendable la utilización de cuplas ó medias cuplas forjadas de serie 3000 como mínimo; las de 21/2” y mayores deberán ser bridadas de tipo SORF de Serie 150 como mínimo y para servicios de mayor presión, el tipo WNRF de la Serie que corresponda. Los cuellos de conexión para diámetros menores a 11/2” serán sch 80 y la conexión al cuerpo se realizará mediante accesorios socked weld..

Todos los agujeros para los bulones de bridas, quedarán a horcajadas de los ejes principales del recipiente, salvo especificación en contrario.

Los recipientes horizontales con 2 cunas de apoyo soldadas al cuerpo, deberán tener el anclaje de una de ellas con correderas para permitir la dilatación por temperatura.

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Los recipientes de acero inoxidable podrán contar con medios de sustentación construidos en acero al carbono, siempre que se suelden a placas externas del mismo material del cuerpo, soldadas previamente.

Los tanques verticales podrán ser sustentados mediante patas soldadas a refuerzos convenientemente ubicados en la envolvente ó cabezal inferior ó mediante faldón provisto de silletas de anclaje ó brida. en el caso de recipientes de gran altura (caso de torres de destilación), el faldón tendrá el mismo diámetro que el recipiente y se anclará a una base de H°A° mediante una brida tipo silleta con bulones de anclaje. El faldón poseerá aberturas de ventilación, en especial en servicios con hidrocarburos u otros combustibles líquidos ó gaseosos.

3 – Soldaduras:

El Fabricante no podrá comenzar a soldar hasta que el Procedimiento de Soldadura calificado y la Habilidad del Soldador/Operador, sean aprobados por la Inspección del Adquirente.

Todas las soldaduras se realizarán en un todo de acuerdo con las normas A.W.S. (American Welding Society) en cuanto a los materiales de aporte utilizados y con el Código ASME Sección VIII y IX en lo referente a métodos y procedimientos de soldadura.

Para la soldadura de envolvente y casquetes se utilizará la forma “a tope” de penetración y fusión completa. El procedimiento de soldadura mas moderno, seguro y rápido es el de Arco Sumergido (S.A.W) ó soldadura Automática.

Una de las prácticas mas comunes para soldadura de ambos lados es, con bisel en X (2/3 ext./1/3 int.), realizando desde la cara interna la soldadura que hará de respaldo al S.A.W . Este respaldo, se realizará mediante procedimiento manual con electrodo revestido (S.M.A.W.)., efectuando las pasadas necesarias s/espesor (s) ó bien con Semiautomática de alambre macizo (G.M.A.W.) ó tubular (F.C.A.W), en ambos casos con el modo de transferencia globular. Posteriormente, repelada la raíz, se efectuarán las pasadas externas de S.A.W. que sean necesarias para completar la soldadura.

Si no es posible el acceso al interior del tanque, se utilizará bisel del tipo “V”, para soldar totalmente desde el exterior. Para este tipo de soldadura, es imprescindible utilizar un procedimiento adecuado que asegure la completa penetración; a este efecto, la raíz se efectuará preferentemente con el procedimiento TIG (G.T.A.W.) ó bien con S.M.A.W. utilizando el clásico electrodo celulósico 6010. Eventualmente se podrá colocar un anillo interno de respaldo que quedará incorporado en forma permanente a la soldadura al soldar desde el exterior con el S.A.W. ó con otro procedimiento. En todos los casos, los procedimientos, siempre deberán estar calificados bajo ASME IX. Las restantes uniones menores (conexiones, refuerzos, etc) podrán realizarse con S.M.A.W ó G.M.A.W., utilizando material de aporte acorde a lo especificado por A.W.S.

Para cada forma y tipo de junta que se adopte y según sea el grado de control radiográfico que se

efectúe, el Codigo ASME establece el valor de la eficiencia de junta E que interviene en el

denominador de la fórmula de cálculo del espesor de pared del recipiente. Para el mismo tipo de

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junta, a mayor control mayor será el E permitido y consecuentemente, menor será el espesor

mínimo requerido (ver UW-12 ASME VIII Div.1).

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UNIDAD III

MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA

Un motor de combustión interna es cualquier tipo de máquina que obtiene energía

mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde

dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan

principalmente motores de combustión interna de dos tipos: el motor Otto, el motor

diesel.

EL MOTOR A GASOLINA

Los motores de combustión interna son de dos tipos principales. El primero es el motor de

encendido por chispa, comúnmente conocido como motor a gasolina porque funciona

con gasolina regular. En éste tipo de motor, el combustible vaporizado y mezclado con

aire, entra en ignición por medio de una chispa eléctrica. La expansión de los gases

causada por el calor de la combustión impele a un pistón o a un rotor. Comúnmente el

combustible que consumen los motores de encendido por chispa es la gasolina, pero a

veces también gases licuados a presión (G.L.P.).

EL MOTOR DIESEL

El segundo tipo es el motor de encendido por compresión Diesel, que también utiliza el

calor de un proceso de combustión para impulsar un pistón, pero en el que no se necesita

chispa. En lugar de ello, el combustible, vaporizado, se inyecta y entra en contactó con

aire calentado hasta una temperatura suficiente para que aquél arda por sí mismo. Los

motores de encendido por compresión emplean aceites pesados (gas-oil) en lugar de

gasolina.

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3.1.- GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

La fuerza que impulsa a ambos tipos de motores no es, en términos estrictos, una

“explosión”, aunque reciba este nombre el tiempo en que la fuerza actúa. Los

combustibles que se utilizan se encienden con rapidez, pero se queman con relativa

lentitud si se los compara, por ejemplo, con la dinamita. Esta característica permite que el

pistón vaya impulsado en su cilindro sin daño, mientras que una explosión lo destruiría.

La gran mayoría de los motores de combustión interna destinados a los vehículos

automóviles son de movimiento alternativo. En ellos, el vaivén de uno o varios pistones se

convierte, por medio de un cigüeñal, en movimiento rotatorio, de forma muy semejante a

aquella en que los movimientos más o menos verticales de las piernas de un ciclista hacen

girar la rueda dentada de la bicicleta.

Los motores de movimiento alternativo, a su vez, son de dos tipos. En el motor de dos

tiempos, el pistón recibe fuerza impulsora una ve2 cada revolución del cigüeñal (o cada

dos golpes del pistón). En el motor de cuatro tiempos, la fuerza actúa una vez cada dos

revoluciones del cigüeñal (o cuatro golpes del pistón). El motor de combustión interna ha

conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los

últimos años modificaciones y refinamientos que lo han convertido en una máquina

altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la

mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la

reducción consecuente de las emisiones contaminantes.

CILINDRADASe conoce como cilindrada o desplazamiento a la suma de los volúmenes

admitidos por los cilindros de un motor. Si tomamos en cuenta que el cilindro es un

cuerpo geométrico cuyo volumen se obtiene aplicando la fórmula b x a y que "b" es la

superficie de la cabeza del pistón y que "a" es igual a la distancia que existe entre la

cabeza del pistón en su punto muerto inferior y la cabeza de cilindros, podemos obtener

fácilmente el volumen de un cilindro. Después, multiplicamos ese número por la cantidad

de cilindros que tenga el motor y el resultado constituirá la cilindrada.

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Este concepto se expresa generalmente en

centímetros cúbicos (cc. o cm3) aunque

también se emplean los litros (L). Los

norteamericanos lo expresan en pulgadas

cúbicas (cu.in. cubic inches).

DIAGRAMA DE UN CILINDRO TÍPICO

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CONCEPTO DE CIGÜEÑAL

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PISTÓN Y BIELA DANDO UN GIRO AL CIGÜEÑAL

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AI efectuar su trabajo dentro del cilindro, el pistón se desplaza en forma rectilínea y

reciprocante, es decir, va y viene en línea recta. Corresponde a la biela convertir ese

movimiento del pistón en circular y continuo del cigüeñal. Del mismo modo en que al

operar una manivela puede hacerse girar un mecanismo, o igual que al aplicar fuerza sobre

los pedales de una bicicleta, cada uno de los pistones, a través de su biela respectiva,

transmite su energía al cigüeñal

Como se puede apreciar en el esquema

anterior, en un motor de cuatro cilindros

los pistones se encuentran dispuestos por

pares, es decir, cuando dos de ellos están

arriba, los otros dos están abajo. Esta

disposición favorece el balance dinámico

del motor ya que cuando las masas de dos

pistones suben, otras dos masas

equivalentes bajan. Cabe mencionar que

todos los pistones de un motor deben

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pesar lo mismo y ese criterio se aplica

también para las bielas. Hay que recordar

que debe se simétrico

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3.2.- EL CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS.

Este ciclo recibe el nombre de su inventor,

Nicolás Augusto Otto (izq.), quien llevó a la

práctica un sistema de operación del motor a

base de válvulas cuyo uso se ha generalizado y se

aplica prácticamente en la mayoría de los

diseños de motores para automóviles

Tiempo de Admisión

A partir de su punto muerto superior, el pistón

inicia su carrera descendente. AI mismo tiempo, la

válvula de admisión se abre y permite la entrada de

la mezcla aire-combustible que Ilenará la cavidad

del cilindro. El tiempo de admisión y la carrera del

pistón terminan cuando éste Ilega a su punto

muerto inferior (PMI).

Tiempo de compresión

AI continuar girando el cigüeñal, el pistón inicia su

carrera ascendente; la válvula de admisión se cierra y

la mezcla aire-combustible queda confinada en el

interior del cilindro donde es comprimida

violentamente. Las partículas de combustible se

encuentran entonces rodeadas apretadamente por

partículas de oxígeno y en ese momento (PMS), tiene

lugar la chispa entre los electrodos de la bujía de

encendido

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Tiempo de fuerza

La mezcla aire-combustible se enciende por la

chispa, desarrollando una elevada presión de

gases en expansión. Como las válvulas siguen

cerradas, los gases impulsan al pistón en su

carrera descendente y la biela comunica esa

fuerza al cigüeñal haciéndolo girar. Esta carrera

del ciclo Otto es la única que produce energía,

mientras que las otras tres la consumen en

mayor o menor medida

Tiempo de escape

El tiempo de escape es el último del ciclo y tiene lugar

en la carrera ascendente del pistón. La válvula de

escape se abre y permite la expulsión de los gases

quemados que serán conducidos al exterior a través

del tubo del escape. El ciclo se reanuda de inmediato

ya que a continuación sigue de nuevo el tiempo de

admisión y así sucesivamente en forma indefinida.

A continuación se podrá observar el ciclo completo de cuatro tiempos. Con un poco de

observación podremos darnos cuenta de que para efectuarlo, el cigüeñal tuvo que

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completar dos vueltas. Esto tendrá relevancia para poder entender más adelante la

sincronización con las válvulas

Ciclo OTTO de cuatro tiempos

3.3.- ORDEN DE ENCENDIDO.

El orden de encendido es la secuencia en que tiene lugar la chispa de la bujía en cada

cilindro. Esta chispa coincide con el inicio de la carrera de fuerza respectiva y se presenta,

en motores de cuatro cilindros en línea, de la manera siguiente: 1 - 3 - 4 - 2, es decir, que

encenderá primero el cilindro número uno, después el número tres, a continuación el

cuatro y por último el número dos. Este ciclo, como ya sabemos, se repite continuamente

de modo que habrá sólo un pistón en carrera de fuerza, otro en carrera de compresión,

uno más en carrera de admisión y otro en carrera de escape, en cualquier momento de giro

del cigüeñal, siguiendo siempre ese orden de encendido-

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En el diagrama (izq.) encontramos al pistón número 1 al final de su carrera de fuerza, en su punto muerto inferior; por lo tanto, el pistón número 3 se encontrará al final de su carrera de compresión a punto de encender su mezcla, luego el pistón número 4 estará al final de su carrera de admisión y el pistón número 2 se encontrará al final de su carrera de escape.

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SISTEMA DE ENCENDIDO DEL MOTOR A GASOLINA

Cuando se habla de sistema de encendido generalmente nos referimos al sistema

necesario e independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y

aire dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos también como

motores de encendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturaleza de la

formación de la mezcla produce su auto-encendido. En los motores de gasolina resulta

necesario producir una chispa entre dos electrodos separados en el interior del cilindro en

el momento justo y con la potencia necesaria para iniciar la combustión.

GENERACIÓN DE LA CHISPA. En conocido el hecho de que la electricidad puede saltar el

espacio entre dos electrodos aislados si el voltaje sube lo suficiente produciéndose lo que

se conoce como arco eléctrico. Este fenómeno del salto de la electricidad entre dos

electrodos depende de la naturaleza y temperatura de los electrodos y de la presión

reinante en la zona del arco. Así tenemos que una chispa puede saltar con mucho menos

voltaje en el vacío que cuando hay presión y que a su vez, el voltaje requerido será mayor a

medida que aumente la presión reinante. De esto surge la primera condición que debe

cumplir el sistema de encendido:

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http://www.sabelotodo.org/automovil/inyecciondiesel.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/diesel.html

http://www.sabelotodo.org/combustibles/gasespetroleo.html

http://www.sabelotodo.org/combustibles/gasolina.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/prepmezcla.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/prepmezcla.html

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Condición 1: El sistema de encendido debe elevar el voltaje del sistema eléctrico del

automóvil hasta valores capaces de hacer saltar la electricidad entre

dos electrodos separados colocados dentro del cilindro a la presión

alta de la compresión.

MOMENTO DEL ENCENDIDO

Durante la carrera de admisión la mezcla que ha entrado al cilindro, bien desde el

carburador, o bien mediante la inyección de gasolina en el conducto de admisión se

calienta, el combustible se evapora y se mezcla íntimamente con el aire. Esta mezcla está

preparada para el encendido, en ese momento una chispa producida dentro de la masa de

la mezcla comienza la combustión.

Esta combustión produce un notable incremento de la presión dentro del cilindro que

empuja el pistón con fuerza para producir trabajo útil. Para que el rendimiento del motor

sea bueno, este incremento de presión debe comenzar a producirse en un punto muy

próximo después del punto muerto superior del pistón y continuar durante una parte de la

carrera de fuerza.

Cuando se produce la chispa se inicia el encendido primero alrededor de la zona de la

chispa, esta luego avanza hacia el resto de la cámara como un frente de llama, hasta

alcanzar toda la masa de la mezcla. Este proceso aunque rápido no es instantáneo, demora

cierto tiempo, por lo que nuestro sistema debe producir la chispa un tiempo antes de que

sea necesario el incremento brusco de la presión, es decir antes del punto muerto superior,

a fin de dar tiempo a que la llama avance lo suficiente en la cámara de combustión, y lograr

las presiones en el momento adecuado, recuerde que el pistón está en constante

movimiento.

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http://www.sabelotodo.org/automovil/inyecciongasolina.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/carburador.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/motor4tiempos.html

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A este tiempo de adelanto de la chispa con respecto al punto muerto superior se le llama

avance al encendido. Si consideramos ahora la velocidad de avance de la llama como

constante, resulta evidente que con el aumento de la velocidad de rotación del motor, el

pistón se moverá mas rápido, por lo que si queremos que nuestro incremento de presión

se haga siempre en la posición adecuada del pistón en la carrera de fuerza, tendremos

necesariamente, que adelantar el inicio del salto de la chispa a medida que aumenta la

velocidad de rotación del motor. De este asunto surge la segunda condición que debe

cumplir el sistema de encendido:

Condición 2: El sistema de encendido debe ir adelantando el momento del salto de la

chispa con respecto a la posición del pistón gradualmente a medida

que aumenta la velocidad de rotación del motor.

La consideración hecha de que la velocidad de avance de la llama es constante no es

estrictamente cierta, además en dependencia del nivel de llenado del cilindro con mezcla

durante la carrera de admisión y de la riqueza de esta, la presión dentro del cilindro se

incrementará a mayor o menor velocidad a medida que se quema, por lo que durante el

avance de la llama en un cilindro lleno y rico la presión crecerá rápidamente y puede que la

mezcla de las partes más lejanas a la bujía no resistan el crecimiento de la presión y

detonen antes de que llegue a ellas el frente de llama, con la consecuente pérdida de

rendimiento y perjuicio al motor. De aquí surge la tercera condición que debe cumplir el

sistema de encendido:

Condición 3: El sistema de encendido debe ir atrasando el momento del salto de la

chispa a medida que el cilindro se llena mejor en la carrera de

admisión.

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http://www.sabelotodo.org/combustibles/mediroctanaje.html

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DISTRIBUCIÓN DEL ENCENDIDO

Cuando el motor tiene múltiples cilindros de trabajo resultará necesario producir la chispa

cumpliendo con los requisitos tratados hasta aquí, para cada uno de los cilindros por cada

vuelta del cigüeñal en el motor de dos tiempos, y por cada dos vueltas en el de cuatro

tiempos. De aquí la cuarta condición:

Condición 4: El sistema de encendido debe producir en el momento exacto una

chispa en cada uno de los cilindros del motor.

EL DIAGRAMA BÁSICO.

En la figura se muestra un diagrama de bloques de los componentes del sistema de

encendido. Resulta imprescindible una fuente de suministro de energía eléctrica para

abastecer al sistema, este puede ser una batería de acumuladores o un generador. Luego

será necesario un elemento que sea capaz de subir el bajo voltaje de la batería, a un valor

elevado para el salto de la chispa (varios miles de voltios). Este generador de alto voltaje

tendrá en cuenta las señales recibidas de los sensores de llenado del cilindro y de la

velocidad de rotación del motor para determinar el momento exacto de la elevación de

voltaje.

Para la elevación del voltaje se usa un transformador elevador de altísima relación de

elevación que se le llama bobina de encendido en trabajo conjunto con un generador de

pulsos que lo alimenta. Será necesario también un dispositivo que distribuya el alto voltaje

a los diferentes cables de cada uno de los productores de la chispa dentro de los cilindros

(bujías) en concordancia con las posiciones respectivas de sus pistones para el caso del

motor policilíndrico

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http://www.sabelotodo.org/automovil/bujia.html

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/transformador.html

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/generadoralterna.html

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/acumuladorplomo.html




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Poniendo todo junto como un conjunto, para ello utilizaremos el esquema de la figura 5

correspondiente al sistema de encendido típico por contacto, tal y como se usaba antes de

la introducción de los dispositivos semiconductores. Se observa que el cable procedente de

la batería pasando por el interruptor de arranque alimenta el primario de la bobina de

encendido. El circuito del primario se completa a tierra con el contacto dentro del

dispositivo llamado como Conjunto distribuidor.

Nótese también como la leva y el rotor que distribuye la corriente de alto voltaje a las

diferentes bujías, están montados en el eje que se conecta al motor. Un elemento nuevo es

el condensador, está conectado en paralelo con el elemento móvil del contacto, este

condensador ayuda a reducir las chispas en el contacto y aumenta la potencia de la chispa.

El mecanismo centrífugo y el diafragma que sirven para acomodar el avance al encendido

no están representados. El cable de alto voltaje que sale de la bobina de encendido entra al

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centro del rotor por medio de un contacto deslizante y este lo transmite a la bujía

correspondiente al girar

.

3.4.- SISTEMA DE ENCENDIDO DEL MOTOR DIESEL.

Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente alemana en 1892. Su

logro era crear un motor con alta eficiencia. Los motores a gasolina fueron inventados en

1876 y, específicamente en esa época, no eran muy eficientes.

Las diferencias principales entre el motor a gasolina y el Diesel son:

Un motor a gasolina aspira una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la

mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo aspira aire, lo comprime y entonces le

inyecta combustible al aire comprimido. EL calor del aire comprimido enciende el

combustible espontáneamente.

Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor

a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel

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comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en

mejor eficiencia.

Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el

combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina

generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados

un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en

la que el combustible es inyectado a la válvula de aspiración (fuera del cilindro).

3.5.- LOS 4 CICLOS DEL MOTOR DIESEL

El motor diesel no tiene bujía, toma el aire y lo comprime, después inyecta el combustible

directamente en la cámara de combustión (inyección directa). Es el calor del aire

comprimido lo que enciende el combustible en un motor diesel. El inyector en un motor

diesel es el componente más complejo y ha sido objeto de gran experimentación en

cualquier motor particular debe ser colocado en variedad de lugares.

El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la presión dentro del cilindro y

colocar el combustible en un fino espray. Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho

tiempo, es también un problema, así que muchos motores diesel de alta eficiencia utilizan

válvulas de inducción especiales, cámaras de pre combustión u otros dispositivos para

mezclar el aire en la cámara de combustión y para que por otra parte mejore el proceso de

encendido y combustión.

Una gran diferencia entre un motor diesel y un motor a gasolina está en el proceso de

inyección. Un motor diesel siempre inyecta su combustible directamente al cilindro, y es

inyectado mediante una parte del choque de poder. Esta técnica mejora la eficiencia del

motor diesel.

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3.6.- ARRANQUE DE LOS MOTORES DIESEL.

El arranque de los motores Diesel se produce por auto inflamación del combustible

inyectado como un aerosol en el cilindro cuando el pistón se acerca al punto muerto

superior. Para garantizar este auto inflamación el aire en el interior del cilindro al momento

de la inyección debe estar lo suficientemente caliente para evaporar el combustible e

incendiarlo. La auto inflamación del combustible al momento de la inyección está

determinada por dos factores básicos:

1. Temperatura del aire en el interior del cilindro cuando se comienza la inyección.

2. Volatilidad y facilidad de inflamado del combustible.

3. Calidad de la inyección.

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http://www.sabelotodo.org/automovil/inyecciondiesel.html

http://www.sabelotodo.org/aparatos/aerosoles.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/diesel.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/arranque.html

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ARRANQUE DEL MOTOR DEL AUTOMÓVIL

El motor de combustión interna no tiene arranque propio, hay que hacerlo girar con una

fuente externa para que se completen los procesos necesarios y se produzca el encendido.

En los automóviles se usa casi universalmente el arranque por motor eléctrico, por lo que

será este método el que será tratado.

ARRANQUE POR MOTOR ELÉCTRICO

Para el arranque de los motores de automóvil se usa un motor eléctrico de corriente

continua que se alimenta desde la batería de acumuladores a través de un relé. Este relé a

su vez se acciona desde el interruptor de encendido del automóvil.

Cuando se acciona el interruptor de arranque se alimenta con electricidad proveniente de

la batería a la bobina del relé, y este a su vez cierra dos grandes contactos en su interior

alimentando el motor de arranque directamente desde la baterías a través de un grueso

conductor (representado con color rojo.

95

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/rele.html

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/corrientecontinua.html

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/corrientecontinua.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/enlaceautomovil.html

http://www.sabelotodo.org/automovil/motores.html

96

EL MOTOR ELÉCTRICO

El motor de arranque es un motor de corriente directa tipo shunt especialmente diseñado

para tener una gran fuerza de torque con un tamaño reducido, capaz de hacer girar el

motor de combustión interna.

Esta capacidad se logra a expensas de sobrecargar eléctricamente las partes constituyentes

ya que el tiempo de funcionamiento es muy breve, por tal motivo no debe mantenerse en

acción por largo tiempo, so pena de terminar averiado por sobrecalentamiento. El

consumo de electricidad durante el arranque es elevado (hasta 1000 Amp para grandes

motores de combustión), de manera tal que también la batería funciona en un régimen

muy severo durante este proceso. Debido a estas razones es muy recomendable, cuando

se intenta arrancar un motor "perezoso" usar varios intentos de corta duración (unos 10

segundos), en lugar de un solo intento de larga duración.

96

http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/motorcolector.html

97

En la vista puede diferenciarse el relé así como los grandes tornillos de conexión para los

cables procedentes de la batería.

EL MECANISMO DE ACCIONAMIENTO

La transmisión de la rotación desde el motor

de arranque al motor de combustión se

realiza a través de engranajes. Un pequeño

engrane deslizante está acoplado al eje del

motor de arranque, este engrane es

desplazado sobre estrías por el relé a través

de una horquilla pivotante, de manera que se

acopla a un engrane mayor que rodea el

volante del cigüeñal del motor haciéndolo

girar

97

98

Este engrane funciona a través de un mecanismo de rueda libre (como el de las bicicletas)

de manera que el torque del motor de arranque se trasmita al engrane del cigüeñal, pero

una vez que el motor de combustión se ponga en marcha, no pueda arrastrar al motor de

arranque. Sin este mecanismo de rueda libre, debido a la gran velocidad del motor de

combustión y a la elevada relación de transmisión entre el par engranado, la velocidad de

rotación del rotor del motor eléctrico llegaría a velocidades peligrosas para su integridad,

especialmente en conductores demorados en soltar la llave de encendido. Una vez que el

motor de combustión se ha puesto en marcha y el conductor suelta la llave de encendido,

se corta la alimentación eléctrica a la bobina del relé y el muelle de recuperación retira el

núcleo cortando la alimentación con electricidad y desacoplando ambos engranes

3.7.- EL SISTEMA DE COMBUSTIBLE DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

El combustible es el elemento necesario para producir la potencia necesaria que mueve a

un vehículo. En la actualidad son varios los combustibles que pueden ser utilizados en los

motores; el diesel y la gasolina son los más comunes pero también se pueden utilizar: el

gas licuado de petróleo (LP), el gas natural comprimido (GNC), el gas natural licuado (GNL),

el propano, el metanol, el etanol y otros.

Para obtener el máximo aprovechamiento de la energía del combustible se requiere

mezclar con el oxígeno, el cual es obtenido del aire y así generar la combustión. Tres son

los factores que influyen en el fenómeno de combustión y éstos son:

1. La temperatura. La temperatura de la cámara de combustión es fundamental

para generar una buena combustión. Generalmente a mayor temperatura se

tiene una mejor combustión, sin embargo esto afecta las emisiones de óxidos de

nitrógeno (NOx) las cuales se incrementan al tener mayores temperaturas. Las

temperaturas bajas generan una mala combustión y generalmente provocan

altas emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) y de monóxido de carbono

(CO).

98

99

2. La turbulencia. Se refiere a la forma en la cual se mezclan el aire y el

combustible. En este sentido los fabricantes han tratado por diferentes medios

de incrementar la turbulencia, algunas veces a través del diseño del múltiple de

admisión, de la cabeza del pistón, de la forma de la cámara, etc.

3. El tiempo de residencia. Se refiere al tiempo que la mezcla aire combustible

permanece dentro de la cámara de combustión. En este tiempo, la mezcla aire

combustible debería quemarse completamente. Un sistema de combustible que

no cumpla los requisitos necesarios puede producir los siguientes efectos:

• Sobreconsumo de combustible

• Desgaste prematuro de partes por contaminación del lubricante con

combustible y provocar adelgazamiento de la película lubricante

• Falta de potencia

• Daño al convertidor catalítico

• Fugas de combustible

• Conatos de incendio

Es por todo esto importante conocer cómo trabaja el sistema de combustible, las acciones

que pueden afectar de manera negativa al desempeño del vehículo.

Objetivo

El sistema de combustible tiene varios objetivos; entre ellos se pueden mencionar los

siguientes:

Proporcionar la mezcla adecuada de aire-combustible acorde a las condiciones

de operación del vehículo

Mezclar el aire y el combustible para el mejor aprovechamiento del combustible

Dosificar el combustible o la mezcla aire-combustible en la cámara de

combustión

99

100

Para cumplir con estos objetivos existen diferentes sistemas de combustible entre ellos, se

tienen: los sistemas carburados o de admisión natural y los sistemas de inyección que

pueden ser por el tipo de inyección:

3.8.- SISTEMA CARBURADO O DE ADMISIÓN NATURAL

El sistema carburado cuenta con un carburador el cual se encarga de dosificar la mezcla

aire combustible a la cámara de combustión utilizando el principio de tubo Venturi, es

decir, generando un vacío en la parte más estrecha del tubo lo cual provoca la succión del

combustible al pasar el aire por este estrechamiento. El control de la dosificación se

lograba

en los primeros sistemas utilizando únicamente medios mecánicos, (palancas, émbolos,

diafragmas, etc.) en los últimos carburadores se contaba ya con controles electrónicos.

Estos sistemas tienen las siguientes características:

• Son sistemas relativamente sencillos con pocos componentes

• El principio de funcionamiento es por la depresión que se genera en el tubo

Venturi que es la parte fundamental del diseño

• La velocidad del aire es mayor que la del combustible, por lo cual el combustible

es arrastrado por el aire.

• Generalmente proporcionan mezclas ricas de aire-combustible

100

101

• Son fáciles de instalar

• Son de precio bajo

• No permiten un control estricto de las emisiones contaminantes

• • No permiten una dosificación homogénea a todos los cilindros

• • La presión del sistema de combustible es del orden de 5 lb/pulg2

3.8.1.- PARTES DE UN SISTEMA DE COMBUSTIBLE CON CARBURADOR

Al sistema carburado lo forman:

1. Tanque o depósito de combustible

2. Filtro de combustible

3. Líneas de combustible

4. Bomba de combustible mecánica

(de diafragma)

5. Múltiple de admisión

6. Carburador

7. Ahogador o “choke”

8. Válvula de aceleración

9. Línea de retorno

10. Filtro de aire

3.8.2.- SISTEMAS DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

Los sistemas de inyección de combustible permiten mejorar la dosificación del combustible

debido a que el combustible es inyectado a una presión mayor en la corriente de aire, esto

permite un mejor mezclado del aire con el combustible y generalmente se tiene un mejor

aprovechamiento del combustible y un nivel menor de emisiones. Los inyectores utilizados

en los motores de gasolina, generalmente son controlados electrónicamente lo cual

permite tener un control muy preciso del tiempo de inyección y de la cantidad de

combustible inyectada.

101

102

Los sistemas de inyección de combustible presentan las siguientes características:

Son sistemas más complicados y tienen más componentes

El principio de funcionamiento es por la presión con la que se inyecta el

combustible, lograda por la bomba de alimentación y el regulador de presión del

sistema

La velocidad del aire es menor que la del combustible, por lo cual el combustible

es mezclado mejor con el aire.

Generalmente proporcionan mezclas aire-combustible pobres

Son de precio medio y alto

Permiten un control estricto de las emisiones contaminantes

Permiten una dosificación homogénea a todos los cilindros

La presión del sistema de combustible es del orden de 35 a 70 lb/pulg2 en

motores de gasolina y mucho mayores en motores diesel (mayores de 3,000 lb/

pulg2).

102

103

SISTEMAS DE INYECCIÓN MONOPUNTO

Los sistemas de inyección monopunto tienen la característica de que un inyector alimenta a

más de un cilindro, de tal manera que permiten una mejor dosificación de la mezcla aire

combustible. Este inyector se coloca generalmente en el cuerpo de aceleración y es de

mayor tamaño que los inyectores utilizados en los sistemas multipuntos.

PARTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN MONOPUNTO

Al sistema de inyección monopunto lo forman:



3. Bomba de combustible


5. Regulador de presión

6. Inyector

7. Cuerpo de aceleración



10. Módulo de control electrónico (computadora)

11. Sensores de aire

12. Sensor de posición de la válvula de aceleración

13. Sensor de la posición del cigüeñal

14. Sensor de oxígeno

103

104

CIRCUITO DEL COMBUSTIBLE

El combustible es succionado del tanque de combustible por la bomba la cual se encuentra

generalmente dentro del tanque, pasando por el filtro de combustible. La bomba

incrementa la presión y envía el combustible a través de la línea de combustible hacia el

regulador donde se controla la presión a la cual será inyectado. El regulador se encarga de

enviar el combustible hacia el inyector el cual se encuentra encima del cuerpo de

aceleración donde se tiene la válvula de aceleración la cual está acoplada al pedal del

acelerador.

La posición de esta válvula definirá la potencia demandada, la cantidad de combustible

necesaria será definida por la computadora (la cual toma la señal de la posición de la

válvula de aceleración y de la temperatura del motor entre otras) y suministrada a través

del inyector. La cantidad de combustible que no sea requerida se envía al tanque a través

de la línea de retorno.

SISTEMAS DE INYECCIÓN MULTIPUNTO

Los sistemas de inyección multipunto tienen la característica de que se tiene un inyector

para cada cilindro, de tal manera que permiten una mejor dosificación de la mezcla aire

combustible. Estos inyectores se colocan generalmente en el puerto de admisión, que es la

zona en la cual se encuentra la válvula de admisión antes de la cámara de combustión.

Algunos fabricantes le denominan sistema de inyección multipuertos.

PARTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN MULTIPUNTO

Al sistema de inyección multipunto lo forman:



3. Bomba de combustible


5. Regulador de presión

104

105

6. Riel de inyectores

7. Inyectores

8. Puerto de admisión

9. Cuerpo de aceleración



12. Módulo de control electrónico (computadora)

13. Sensores de aire

14. Sensor de posición de la válvula de aceleración

15. Sensor de la posición del cigüeñal

16. Sensor de temperatura del motor

17. Sensor de oxígeno

CIRCUITO DEL COMBUSTIBLE

El combustible es succionado del tanque de combustible por la bomba la cual se encuentra

generalmente dentro del tanque, pasando por el filtro de combustible. La bomba

incrementa la presión y lo envía a través de la línea de combustible hacia el regulador

donde se controla

la presión a la cual será inyectado. El regulador se encarga de enviar el combustible hacia el

tren de inyectores y de éste al inyector el cual se encuentra en el puerto de admisión. El

aire entra a través del filtro de aire (donde está el sensor de aire) y pasa a través del cuerpo

de aceleración donde se tiene la válvula de aceleración la cual está acoplada al pedal del

acelerador.

La posición de esta válvula definirá la potencia demandada, la cantidad de combustible

necesaria será definida por la computadora (la cual toma la señal de la posición de la

válvula de aceleración y de la temperatura del motor entre otras) y suministrada a través

de los inyectores. La cantidad de combustible que no sea requerida se envía al tanque a

través de la línea de retorno.

105

106

3.9.- SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN.

La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el funcionamiento de

los motores de combustión interna modernos. En algunas partes del motor se tienen

temperaturas mayores de 1000° C (cámara de combustión), en algunos casos los gases de

escape salen a 550° C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra

a través del combustible se pierde en forma de calor.

El sistema de enfriamiento es el que se encarga de que los diferentes componentes del

motor se mantengan en temperaturas seguras y así evitar que el motor sufra desgastes

prematuros o daños importantes y lograr con ello su máximo rendimiento. Algunas partes

del motor que se deben enfriar constantemente son:

Cámara de combustión

Parte alta del cilindro

Cabeza del pistón

Válvulas de escape y de admisión

Cilindro

Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura

homogénea entre 82° y 113° C. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen

puede producir los siguientes efectos:

Desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, en especial en el pistón

con la pared del cilindro

Pre ignición y detonación

Daño a componentes del motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza

del motor, monoblock, bielas, cilindros, etc.)

Corrosión de partes internas del motor

Entrada de refrigerante a las cámaras de combustión

106

107

Fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante

Evaporación del lubricante

Formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor como

los ductos del radiador

Sobreconsumo de combustible

Formación de lodos por baja o alta temperatura en el aceite lubricante

OBJETIVO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Reducir la temperatura dentro de rangos seguros de operación para los

diferentes componentes, tanto exteriores como interiores del motor

Disminuir el desgaste de las partes

Reducir el calentamiento de los elementos de la máquina que se mueven unos

con respecto a otros

Mantener una temperatura óptima para obtener el mejor desempeño del

motor. Para cumplir con estos objetivos el sistema cuenta con el refrigerante

que es la sustancia encargada de transferir el calor hacia el aire del medio

ambiente, y debe tener las siguientes características:

Mantener el refrigerante en estado líquido evitando su evaporación. Esto se

logra al cambiar el punto de evaporación de la sustancia refrigerante

Mantener el refrigerante en estado líquido evitando la formación de hielo al

bajar la temperatura ambiente, esto se logra al cambiar el punto de congelación

de la sustancia refrigerante

Evitar la corrosión

Tener una gran capacidad para intercambiar calor. El agua es el fluido de

enfriamiento básico porque es abundante, barato y fluye con facilidad. Los

productos químicos que contiene un buen anticongelante mejoran las

propiedades del agua y la convierten en un excelente fluido de enfriamiento.

Estas sustancias están diseñadas para reducir la formación de espuma, reducir

cavitación y evitar la corrosión. La base de casi todos los anticongelantes es el

107

108

etilenglicol o el propilenglicol. Casi todos los fabricantes recomiendan una

mezcla de 50 % de anticongelante y agua (mitad y mitad), en áreas muy frías la

mezcla puede ser más concentrada pero el límite es 67% (2/3 de anticongelante

y 1/3 de agua).

3.9.1.- CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de elemento

utilizado para enfriar el motor En algunos casos es un líquido y en otros es aire. Ambos

elementos presentan características muy particulares. En sistemas que manejan aire como

elemento refrigerante, se requieren grandes cantidades de este elemento para enfriar al

motor, por lo cual su uso está restringido a motores pequeños (como en el caso de algunas

motocicletas) o en condiciones muy específicas.

Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta con una serie de

aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire es utilizado además

para enfriar un radiador por el cual circula el aceite lubricante y es éste el que realmente

enfría al motor. Estos sistemas son muy confiables ya que no presentan fugas de la

sustancia refrigerante pero no son tan eficientes como los que utilizan una sustancia

líquida además de que proporcionan un mejor control de la temperatura en los cilindros y

la cámara de combustión.

PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO

Al sistema de enfriamiento por líquido lo forman:

1. Radiador.

2. Tapón de radiador.

3. Mangueras.

4. Termostato.

5. Ventilador

6. Tolva

108

109

7. Bomba de agua

8. Poleas y bandas

9. Depósito recuperador (pulmón)

10. Camisas de agua

11. Intercambiador de calor (de aceite para motores a diesel)

12. Bulbo de temperatura

CIRCUITO DEL LÍQUIDO REFRIGERANTE EN EL MOTOR

Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea de la bomba de agua, ésta

provoca el movimiento del líquido refrigerante del motor hacia el radiador, en él se hace

pasar una corriente de aire movida por el ventilador hacia el líquido refrigerante, lo que le

permite bajar su temperatura y, a través de unas mangueras, este líquido retorna hacia el

motor para volver a iniciar el ciclo.

El líquido que entra al motor transfiere parte del calor generado en la cámara de

combustión removiéndolo de la parte superior del cilindro, de las válvulas de admisión y de

escape, y del mismo cilindro a través de las camisas que lo envuelven y que forman parte

del monoblock. Este líquido caliente es impulsado por la bomba de agua y enviado hacia el

radiador pasando por el termostato concluyendo así el ciclo.

Cuando el motor está por debajo de la temperatura de operación, el termostato bloquea el

flujo de agua hacia el radiador, circulando éste solamente por las camisas de agua para

elevar la temperatura de manera homogénea hasta un nivel óptimo. En días fríos el

termostato permite apenas la circulación de refrigerante suficiente a través del radiador

para eliminar el exceso de calor y mantener una temperatura adecuada en el motor. En

días calurosos es probable que el termostato esté abierto por completo.

109

110

3.10.- SISTEMA DE LUBRICACION

Separación de Partes móviles

110

111

Cuña de Aceite

Conductos de Lubricación

111

112

Lubricación de las paredes del Cilindro

Lubricación del árbol de Levas

112

113

Bombas de Aceite

113

114

Filtro de Aceite

Fundamento

Circulación de Aceite por los Filtros

114

115

Disposición del filtro de aceite

Lubricación a Presión

115

116

Lubricación por Barboteo

Tipos de Anillos de Pistón

116

117

CICLOS OTTO (MOTORES A GASOLINA) Y DIESEL DE 2 Y 4 TIEMPOS El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna

de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera

aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

CICLO DE CUATRO TIEMPOS (4T).

El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico

del fluido operante, pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo.

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)

A-B: compresión isentrópica.

B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente

antes de comenzar el tiempo útil

C-D: fuerza, expansión isentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo

D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante

A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)

117

118

Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y

los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado

en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el

motor de dos tiempos.

3.11.- CICLO DE DOS TIEMPOS (2T)

Motor de dos tiempos (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto

Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando

una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de

admisión hacia el cárter de pre-compresión .(Esto no significa que entre de forma

Gaseosa). Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del

recorrido descendente el pistón la comprime en el cárter inferior, hasta que se descubre la

lumbrera de transferencia que lo comunica con la cámara de compresión, con lo que la

mezcla fresca pre-comprimida ayuda a expulsar los gases quemados del escape

(renovación de la carga)

(Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está

comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando

energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza

hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a

altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un

rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más

contaminantes. Por otro lado, suelen dar más par motor en a unidad de tiempo (potencia)

para la misma cilindrada, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el

motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes

móviles.

118

119

3.12.- EFICIENCIA RENDIMIENTO TÉRMICO

La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de

compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de

combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores

Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así

la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto

índice de octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere

combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera,

una compresión alta requiere un combustible de alto número de octanos, para evitar los

efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes

de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4

tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diesel, que

llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de

compresión.

CICLO DIESEL

En el ciclo Diesel la máquina térmica presenta un encendido por compresión. El

combustible se esparce dentro del cilindro a una presión alta cuando la compresión se

completa, y hay ignición sin la necesidad de una chispa. Un ciclo idealizado de la máquina

Diesel se muestra en la figura;

[ 1 – 2 ]: Compresión isentrópica

[ 2 – 3 ]: Adición de calor a presión constante

[ 3 – 4 ]: Expansión isentrópica

[ 4 – 1 ]: Rechazo de calor a volumen constante

119

120

UNIDAD IV

Aire acondicionado y 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.

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.

120

121

4.1- CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS

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

Se caracterizan por que dentro del serpentín de los equipos, se expande el refrigerante

enfriando el aire que circula en contacto directo con él. Se pueden emplear equipos

compactos auto contenidos 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 separados o split system se diferencian de los auto contenidos

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. Todas estas unidades

son enfriadas por aire mediante un condensador y aire exterior circulando mediante un

ventilador.

121

122

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 que se ubican sobre pared o bajo ventana

u horizontales para colgar bajo el cielorraso.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN

De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja

temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo

(principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor desde una

zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de dispositivos

especiales conocidos como refrigeradores.

Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y

los fluidos de trabajo empleados en los ciclos

de refrigeración se llaman refrigerantes. En la

figura, se muestra de manera esquemática un

refrigerador. En este caso QSum es la magnitud

del calor extraído del espacio refrigerado a la

temperatura Tsum, Qced es la magnitud del calor

liberado hacia el espacio caliente a la

temperatura Tced y Wneto, es la entrada neta de

trabajo al refrigerador. Como se analizó, Qsum

122

123

y Qced representan magnitudes, y por ello son

cantidades positivas.

Esquema de sistema de refrigeración. Fuente:

Yunus Cengel y Michael Boles,“Termodinámica”,

cuarta edición.

El desempeño de los refrigeradores se expresa en los términos de coeficiente de operación

(COP), el cual se define como:

La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído

del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración

equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un

sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua líquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a

0ºC (32 ºF) en

24 horas.

4.2.- CICLO DE REFRIGERACIÓN

Como introducción al tema de ciclos de refrigeración por compresión de vapor, es

necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica

relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilización como ciclo de referencia

para evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por

compresión de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr

caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeración bajo el esquema de los ciclo

termodinámicos.

123

124

CICLO DE CARNOT INVERSO

El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que

comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección

contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador

que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador de Carnot. Aunque en la práctica

no es utilizado por razones que más adelante se exponen, sirve de referencia para evaluar

el desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de

temperatura.

Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un

refrigerante, como el que se muestra en la figura:

Ciclo de Carnot inverso. Fuente: Diagrama Ts de

Carnot.

Yunus Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”,cuarta edición.

Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un

refrigerante, como el que se muestra en la figura.

124

125

1-2. Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría TL, de forma

isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase.

2-3 Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la temperatura

máxima TH.

3-4 Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a TH, de forma isoterma, donde

el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido).

4-1 Se expande el refrigerante isoentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima

TL

Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot como modelo de dispositivo

práctico radican en los procesos de compresión y expansión. En general debe evitarse

comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas liquidas

puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor).

La expansión con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de

perjudicial, la restricción a las condiciones de saturación limita la capacidad de absorber

calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de

Carnot conducen en la práctica al ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.

En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados

en las siguientes consideraciones:

En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de

vapor.

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Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más

económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo

capilar).

La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación.

Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo

invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el

refrigerante completamente antes de que se

comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo

de estrangulamiento, tal como una válvula de

expansión o tubo capilar (ver figura 2.2-a)

Ciclo de refrigeración por

compresión de

vapor. Fuente: Yunus Cengel y

Michael Boles, “Termodinámica”,

cuarta edición.

126

127

Diagrama Ts. Fuente: Yunus

Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”,

Cuarta edición.

Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de

masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:

La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador planteada

así:

En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que

sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está

dado por:

4.3.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS PRINCIPALES DISPOSITIVOS DEL SISTEMA

DE REFRIGERACIÓN.

Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante (ver figura 2.2-a),

que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la

transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del

refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría.

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Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo

(ver figura 2.2-a). El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales

utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera

calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las

temperaturas de las corrientes atmosféricas.

Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la

liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el

refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su

temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los

requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de

enfriamiento.

Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el

proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir

la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el

evaporador.

CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura 2.3 por compresión de vapor,

difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades

que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la

fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde

los alrededores.

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(fig 2.3-a): Ciclo de refrigeración por compresión de vapor (fig 2..3-b):

Diagrama T- S real. Fuente:

Fuente: Yunus Cengel y Michael Boles, “Termodinámica”, cuarta edición.

INFLUENCIA DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN EL COMPRESOR.

El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en

consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos

friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede

aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección.

En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del

rendimiento adiabático del compresor planteado como:

INFLUENCIA DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN EL EVAPORADOR.

En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al

compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado

del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de

manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así

garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea

que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante

y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el

volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de

potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de Wneto = ∫vdp.

129

130

INFLUENCIA DE LAS IRREVERSIBILIDADES EN EL CONDENSADOR.

En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido

saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan

caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a

la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la

regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar

refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que

reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el sub-enfriamiento

como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y

en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante)

4.4.- LOS REFRIGERANTES Y SUS PROPIEDADES

Refrigerante es una sustancia que actúa como agente de enfriamiento, con propiedades

especiales de punto de evaporación y condensación. Mediante cambios de presión y

temperatura absorbe calor en un lugar y lo disipa en otro mediante un cambio de líquido a

gas y viceversa.

Los refrigerantes según la norma americana NRSC (National Refrigeration Safety Code) se

dividen en tres grupos:

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CARACTERÍSTICAS DE LOS REFRIGERANTES

El Punto de Congelación debe ser inferior a cualquier temperatura que existe en el

sistema para evitar congelaciones en el evaporador.

El calor latente de evaporación debe ser lo más alto posible para que una pequeña

cantidad de líquido absorba una gran cantidad de calor.

El volumen específico debe ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en

las líneas de aspiración y compresión.

La densidad debe ser elevada para usar líneas de líquidos pequeñas.

Las presiones de condensación deben elevarse, para evitar fugas y reducir la

temperatura de condensación.

No son líquidos inflamables, corrosivos, ni tóxicos. Además deben tener una baja

conductividad eléctrica.

Existen en la actualidad tres tipos de refrigerantes de la familia de los hidrocarburos

halogenados:

CFC: (Flúor, Carbono, Cloro), Clorofluorocarbono, no contiene hidrógeno en su molécula

química y por lo tanto es estable, esta estabilidad hace que permanezca mucho tiempo en

la atmósfera afectando seriamente la capa de ozono y es una de las causas del efecto

invernadero (R-11, R-12, R-115). Está prohibida su fabricación desde 1995.

HCFC: (Hidrógeno, Carbono, Flúor, Cloro). Es similar al anterior pero con átomos de

hidrógeno en su molécula. Posee un potencial reducido de destrucción de la capa de ozono

(R-22). Su desaparición está prevista para el año 2015.

HFC: (Hidrógeno, Flúor, Carbono). Es un Fluorocarbono sin cloro con átomos de hidrógeno

sin potencial destructor del ozono dado que no contiene cloro. (R-134a, 141b).

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Problema 1.

El compartimiento de comida de un refrigerador, mantiene 4 ºC, si se extrae calor a una

relación de 360 kJ/min. Si la entrada de potencia requerida para el refrigerador es de 2

kW, determine:

a) El coeficiente de rendimiento del refrigerador

COPR=QL

W neto, ent

=360kJ /min2kW ( 1kW

60kJmin )=3kJ

b) La relación a la cual se libera calor al cuarto que lo alberga.

QH=QL+W neto , ent=360kJ+2kW (60kJmin

1kW )=480kJ /min

Problema 2.

Un acondicionador de aire extrae calor permanentemente de una casa a razón de 750

kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una relación de 6 kW. Determine.

a) El COP de este acondicionador de aire.

b) La relación de descarga de calor sobre el aire exterior.

Problema 3.

Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de

refrigeración utilizando como refrigerante R-22, si su temperatura de condensación es 40°C

y la de evaporación -10°C, calcular:

a) Caudal de refrigerante.

b) Potencia de compresión.

c) Coeficiente de eficiencia energética.

Las siguientes figuras muestran un esquema de los componentes del ciclo simple de

compresión estándar de de vapor y la representación de los mismos sobre un diagrama

presión - entalpía del refrigerante.

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133

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Si trasladamos las temperaturas de evaporación (-10°C) y condensación (40°C) sobre el

diagrama P- h del R-22, usando las tablas de las propiedades del R-22 saturado, obtenemos

los siguientes valores:

Presiones: pcond=1534,1kPa; pevap=354,9 kPa.

Punto 1 vapor saturado a la presión de evaporación: h1=401,1 KJ/kg

Punto 3 líquido saturado a la presión de condensación: h3=h4=249,8 kJ/kg

A. Caudal de refrigerante:

Realizando un balance de energía sobre el evaporador obtenemos el caudal de refrigerante

necesario para producir una potencia frigorífica de 50 kW.

B. Potencia de compresión:

Realizando un balance sobre el compresor y conocido ya el caudal de refrigerante que

circula por el ciclo, obtenemos la potencia de compresión necesaria.

C. Coeficiente de eficiencia energética:

Si utilizamos nuestra máquina para producción de frío, el coeficiente de eficiencia

energética tiene la siguiente expresión.

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4.5.- PSICROMETRIA.

La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers)

define el acondicionamiento del aire como: "El proceso de tratar el aire, de tal manera,

que se controle simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución,

para que cumpla con los requisitos del espacio acondicionado". Como se indica en la

definición, las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema de aire

acondicionado son:

1. Control de la temperatura.

2. Control de la humedad.

3. Filtración, limpieza y purificación del aire.

4. Circulación y movimiento del aire.

1. El acondicionamiento completo de aire, proporciona el control automático de estas

condiciones, tanto para el verano como para el invierno.

2. El control de temperatura en verano se logra mediante un sistema de refrigeración, y

en invierno, mediante una fuente de calor.

3. El control de humedad en verano requiere de deshumidificadores, lo que se hace

normalmente al pasar el aire sobre la superficie fría del evaporador. En el invierno, se

requiere de humidificadores, para agregarle humedad al aire en el sistema de

calentamiento.

4. La filtración del aire, en general, es la misma en verano que en invierno.

El acondicionamiento de aire en casas, edificios o en industrias, se hace por dos razones

principales: proporcionar confort al humano, y para un control más completo del proceso

de manufactura; el control de la temperatura y la humedad, mejora la calidad del producto

terminado.

135

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Para acondicionar aire en un espacio, se requiere tener conocimientos básicos de las

propiedades del aire y la humedad, del cálculo de cargas de calentamiento y de

enfriamiento, manejo de las tablas o carta psicométrica, y del cálculo y selección de

equipo. También se requiere del conocimiento y manejo de instrumentos, como

termómetros de bulbo seco y de bulbo húmedo (psicrómetro), el higrómetro, tubo de

pitot, registradores, manómetros y barómetros.

DEFINICIÓN

Psicrometría es una palabra que impresiona, y se define como la medición del contenido

de humedad del aire. Ampliando la definición a términos más técnicos, psicrometría es la

ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la

humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano. Ampliando aún más,

incluiríamos el método de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo.

Lo anterior, se puede llevar a cabo a través del uso de tablas psicométricas o de la carta

psicométrica. Las tablas psicométricas ofrecen una gran precisión, ya que sus valores son

de hasta cuatro decimales; sin embargo, en la mayoría de los casos, no se requiere tanta

precisión; y con el uso de la carta psicométrica, se puede ahorrar mucho tiempo y cálculos.

En seguida, se verán las propiedades del aire y de la humedad conjuntamente con las

tablas psicométricas, y posteriormente, se verá la carta psicométrica.

136

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4.6.- CARTAS PSICROMÉTRICAS

Una carta psicrométrica, es una gráfica de las propiedades del aire, tales como

temperatura, hr, volumen, presión, etc. Las cartas psicométricas se utilizan para

determinar, cómo varían estas propiedades al cambiar la humedad en el aire. Las

propiedades psicométricas del aire que se describen en las ilustraciones de las tablas 13.1,

13.3 y 13.5, han sido recopiladas a través de incontables experimentos de laboratorio y de

cálculos matemáticos, y son la base para lo que conocemos como la Carta Psicrométrica.

Aunque las tablas psicrométricas son más precisas, el uso de la carta psicométrica puede

ahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos donde no se requiere una

extremada precisión. Como se mencionó al inicio de este párrafo, la carta psicométrica es

una gráfica que es trazada con los valores de las tablas psicométricas; por lo tanto, la carta

psicométrica puede basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal al nivel del

mar, o puede estar basada en presiones menores que la atmosférica, o sea, para sitios a

mayores alturas sobre el nivel del mar. Existen muchos tipos de cartas psicrométricas, cada

una con sus propias ventajas. Algunas se hacen para el rango de bajas temperaturas,

algunas para el rango de media temperatura y otras para el rango de alta temperatura.

A algunas de las cartas psicrométricas se les amplía su longitud y se recorta su altura;

mientras que otras son más altas que anchas y otras tienen forma de triángulo. Todas

tienen básicamente la misma función; y la carta a usar, deberá seleccionarse para el rango

de temperaturas y el tipo de aplicación. Aquí, utilizaremos una carta psicrométrica basada

en la presión atmosférica normal, también llamada presión barométrica, de 101.3 kPa ó

760 mmHg. Esta carta cubre un rango de temperaturas de bulbo seco (bs) de -10 C hasta 55

C, y un rango de temperaturas de bulbo húmedo (bh) desde -10oC hasta 35oC. En la figura

13.11, se muestra una carta psicométrica básica. Está hecha con datos basados a la presión

atmosférica normal de 101.325 kPa, y las unidades son las del Sistema Internacional, S.I.

Las temperaturas están en grados centígrados; el volumen en m³/kg; la humedad relativa

en porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y la entropía están

en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un kJ/kg = 0.239 kcal/kg = 0.430 btu/lb.

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En una carta psicrométrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las

de mayor importancia son las siguientes:

1. Temperatura de bulbo seco (bs).

2. Temperatura de bulbo húmedo (bh).

3. Temperatura de punto de rocío (pr)

4. Humedad relativa (hr).

5. Humedad absoluta (ha).

6. Entalpía (h).

7. Volumen específico (v).

Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden

determinarse a partir de la carta.

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1.- Temperatura de Bulbo Seco.- En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya sabemos, es la

temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte baja de la carta, según se

muestra en la figura 13.12. Las líneas que se extienden verticalmente, desde la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman

líneas de temperatura de bulbo seco constantes, o simplemente «líneas de bulbo seco». Son constantes porque cualquier punto

a lo largo de una de estas líneas, corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la escala de la parte baja. Por

ejemplo, en la línea de 40oC, cualquier punto a lo largo de la misma, corresponde a la temperatura de bulbo seco de 40oC.

1. Temperatura de Bulbo Húmedo.- Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicrométrica. Corresponde a la temperatura

medida con un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se explicó en la sección anterior, es la temperatura que resulta cuando

se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo de un termómetro ordinario. La escala de temperaturas de bulbo húmedo, es

la que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura 13.13.

Las líneas de temperatura de bulbo húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo, corren diagonalmente de izquierda a derecha

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y de arriba hacia abajo, en un ángulo de aproximadamente 30o de la horizontal. También se les dice constantes, porque todos los

puntos a lo largo de una de estas líneas, están a la misma temperatura de bulbo húmedo.

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2. Temperatura de Punto de Rocío.- Es otra propiedad de aire incluida en una carta

psicrométrica. Esta es la temperatura a la cual se condensará la humedad sobre una

superficie. La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la escala para

las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la misma escala para ambas propiedades. Sin

embargo, las líneas de la temperatura de punto de rocío, corren horizontalmente de

izquierda a derecha, como se ilustra en la figura 13.14, no en forma diagonal como las de

bulbo húmedo (ver figura 13.13). Cualquier punto sobre una línea de punto de rocío

constante, corresponde a la temperatura de punto de rocío sobre la escala, en la línea curva

de la carta.

3. Humedad Relativa.- En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativa

constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan

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siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada línea. Como ya hicimos notar

previamente, la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío,

comparten la misma escala en la línea curva a la izquierda de la carta. Puesto que la única

condición donde la temperatura de bulbo húmedo y el punto de rocío, son la misma, es en

condiciones de saturación; esta línea curva exterior, representa una condición de saturación

o del 100% de humedad relativa. Por lo tanto, la línea de 100% de hr, es la misma que la

escala de temperaturas de bulbo húmedo y de punto de rocío. Las líneas de hr constante,

disminuyen en valor al alejarse de la línea de saturación hacia abajo y hacia la derecha, como

se ilustra en la figura 13.15.

4. Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire.

También se le conoce como humedad específica. La escala de la humedad absoluta, es la

escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado derecho de la carta psicrométrica, como

se indica en la figura 13.16. Los valores de esta propiedad se expresan, como ya sabemos, en

gramos de humedad por kilogramo de aire seco (g/kg), en el sistema internacional, y en

granos por libra (gr/lb), en el sistema inglés. Las líneas de humedad absoluta, corren

horizontalmente de derecha a izquierda, y son paralelas a las líneas de punto de rocío y

coinciden con éstas. Así pues, podemos ver que la cantidad de humedad en el aire, depende

del punto de rocío del aire. A continuación, veremos algunos ejemplos sencillos del uso de la

carta psicrométrica, con las cinco propiedades físicas descritas hasta este punto. Luego,

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veremos las demás propiedades que faltan por estudiar. Como se mencionó anteriormente,

conociendo dos de estas propiedades del aire, se pueden determinar las demás con el uso de

la carta psicrométrica.

Ejemplo 4.1.

Supongamos que con un psicrómetro se tomaron las lecturas de las temperaturas de bulbo seco

y de bulbo húmedo, siendo éstas de 24oC y de 17oC, respectivamente. ¿Cuál será la humedad

relativa? Refiriéndonos a la carta psicrométrica de la figura 13.17, encontramos la temperatura

de bulbo seco (24oC) en la escala inferior, y la temperatura de bulbo húmedo (17oC) en la escala

curva del lado izquierdo de la carta. Extendiendo estas dos líneas, se intersectan en el punto "A".

A partir de este punto, se puede determinar toda la demás información. La humedad relativa es

de 50%. En esa misma muestra de aire, ¿cuál será el punto de rocío? Partiendo del punto "A" y

desplazándonos hacia la izquierda en forma horizontal, la línea corta a la escala de temperatura

de punto de rocío en 12.6oC. ¿Cuál será la humedad absoluta? Partiendo nuevamente del punto

"A", en forma horizontal, pero hacia la derecha de la carta, la línea intersecta en la escala de

humedad absoluta en un valor de 9.35 g/kg de aire seco.

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Ejemplo 4.2.

A una muestra de aire se le midió la humedad relativa, utilizando un higrómetro y ésta es de

60%. Si la temperatura de bulbo seco es de 27oC, ¿cuál será el punto de rocío? Encontramos el

punto donde la temperatura de 27oC de bulbo seco, cruza con la línea de 60% de hr, en la fig.

13.17. A este punto lo llamamos "B". Si la muestra de aire en estas condiciones fuera enfriada,

sin cambiar su contenido de humedad, lo cual está representado en la carta psicrométrica como

una línea horizontal, la línea del punto de rocío seria intersectada aproximadamente en 18.8oC.

Ejemplo 4.3.

Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo seco es de 32oC, y el contenido de humedad

(presión del vapor de agua) es de 14 g/kg de aire seco. Primero, se encuentra la línea vertical que

representa la temperatura de bulbo seco constante de 32oC. Subiendo a lo largo de esta línea,

hasta cruzar la línea horizontal que representa 14 g de humedad por kg de aire seco. A la

intersección le llamamos punto "C", (ver fig. 13.17). Este punto cae entre las líneas de 40% y 50%

de humedad relativa. La respuesta sería una humedad relativa de 47%.

5. Entalpía .- Las líneas de entalpía constantes en una carta psicrométrica, son las que se

muestran en la figura 13.18. Debe notarse que estas líneas, son meramente extensiones de

las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total del aire, depende de la temperatura de

bulbo húmedo. La escala del lado izquierdo lejana a la línea curva, da el calor total del aire en

kJ/kg (kilojoules por kilogramo) de aire seco, en el sistema internacional o en btu/lb de aire

seco, en el sistema inglés. Esta escala aumenta de -6 kJ/kg a la temperatura de -10oC de

bulbo húmedo, hasta aproximadamente 115 kJ/kg a 33oC de bulbo húmedo.

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Volumen Específico.- En la figura 13.19, se muestran las líneas del volumen específico

constante en una cartapsicrométrica. Estas líneas están en un ángulo aproximado de 60o con

la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general, el espacio

entre cada línea, representa un cambio de volumen específico de 0.05 m³/kg. Cualquier

punto que caiga entre dos de estas líneas, naturalmente debe ser un valor estimado. Si se

desea saber la densidad del aire a cualquier condición, como ya sabemos, se debe dividir uno

entre el volumen específico, puesto que la densidad es la inversa del volumen especifico y

viceversa. Debido a que la mayoría de los cálculos en trabajos de aire acondicionado, se

basan en el peso del aire en lugar del volumen de aire, se recomienda el uso del volumen

específico (m³/kg de aire) en vez de la densidad (kg/m³ de aire). Ahora, echemos un vistazo a

la carta psicrométrica de la figura 13.11. Su constitución consiste de la sobreimposición de las

siete propiedades descritas, ocupando la misma posición relativa sobre la carta. En la

descripción de cada una de las siete propiedades, se definió la línea constante como una

línea que puede contener un número infinito de puntos, cada uno a la misma condición; esto

es, si fuésemos a trazar una sola condición del aire, tal como la temperatura del bulbo seco

sobre la carta psicrométrica, ésta podría caer en cualquier punto sobre la línea constante,

correspondiente a esa temperatura de bulbo seco.

Pero ahora, en la carta psicrométrica compuesta, tenemos un número de líneas que se cruzan

una con otra; así que si trazamos un punto sobre una línea de bulbo seco constante, este punto

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también corresponderá a diferentes valores sobre las líneas constantes para la temperatura de

bulbo húmedo, punto de rocío, humedad relativa, volumen específico, humedad específica y

entalpía. Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas constantes se cruzaran en un punto

común sobre la carta, podremos trazar ese punto exactamente, si conocemos dos de cualquiera

de esas propiedades del aire. A partir de este punto, podemos entonces movernos a lo largo de

las respectivas líneas constantes para las otras propiedades del aire, y podemos leer el valor en

sus escalas respectivas, sin tener que recurrir al problema de calcularlos, como vimos en la

sección de las tablas psicrométricas. Aunque este método no es tan preciso como el método de

las tablas, es mucho más rápido, y el grado de precisión es suficientemente cercano para fines

prácticos.

Ejemplo 4.4.

Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de bulbo seco (35oC) y bulbo húmedo

(22oC), ¿cuáles serán las demás propiedades? Primero, trazamos un punto donde estas dos

líneas se cruzan, como se muestra en la figura 13.20, y lo marcamos como punto "A". Este es el

único punto en la carta donde existen estas dos condiciones (35oC bs y 22oC bh). Las demás

condiciones pueden encontrarse fácilmente, simplemente nos desplazamos a lo largo de la línea

constante correspondiente, leyendo el valor en esa escala. El orden no es importante, y puede

comenzarse por cualquier propiedad. Por ejemplo, la temperatura de punto de rocío. Para

determinarla, partimos del punto "A", horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y donde

cruza la escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la temperatura de punto de rocío, ya

que es la misma escala, puesto que en esa línea curva el aire está en su condición de saturación.

La temperatura de punto de rocío para este ejemplo es de 15.8oC (punto "B"). El contenido de

humedad se determina sobre la escala del lado derecho de la carta; por lo que, partiendo del

punto "A", nos desplazamos horizontalmente hacia la derecha, y cruzamos la escala en

aproximadamente 11.3 g/kg de aire seco (punto "C"). La humedad relativa se determina por la

posición del punto "A", con respecto a las líneas de humedad relativa de la carta. Examinando de

cerca este punto, vemos que está aproximadamente a una quinta parte de la distancia entre las

líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que podemos estimar que la hr es de 32%. La ubicación del

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punto "A", con respecto a las líneas constantes del volumen específico, indica que cae

aproximadamente a 4/5 partes de la distancia entre la línea de 0.85 y 0.90 m³/kg de aire seco, (4

÷ 5 = 0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m³/kg entre una línea y otra, podemos estimar que

el volumen específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, o sea 0.89 m³/kg de aire seco, 0.85 + (0.80 x

0.05) = 0.89. La densidad sería lo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 = 1.12 kg/m³.

Extendiendo la línea constante de bulbo húmedo, de 22oC directo hacia arriba y a la izquierda,

hasta cortar la escala de calor total o entalpía (punto "D"), podemos leer que la entalpía del aire

es de 64.6 kJ/kg de aire seco. Para convertir kilojoules por kilogramo a kilocalorías por kilogramo,

dividimos los kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44 kcal/kg). Para convertir los kJ/kg a

btu/lb, se dividen los kJ/kg entre 2.326(64.6 kJ/kg ÷ 2.326 = 27.77 (btu/lb). Mientras que los

valores de las demás propiedades obtenidos en la carta psicrométrica, son muy parecidos a los

calculados mediante el método de las tablas psicrométricas, parecería que el valor de la entalpía

es considerablemente menos preciso; pero, debe recordarse que en el proceso de

acondicionamiento de aire, nos interesa el cambio de calor, en lugar del valor absoluto del calor

total. La diferencia entre las tablas y la carta, es consistente a través de todo el rango de

temperaturas con las cuales se

va a trabajar; así que, los cambios en los valores de entalpía en la carta, serán casi idénticos a los

cambios en las tablas. Como se puede observar, es relativamente simple determinar las

propiedades del aire en una carta psicrométrica, conociendo dos (cualquiera) de ellas. Se

requiere que a partir de un punto dado en la carta, las demás propiedades se obtengan siguiendo

una serie de líneas, que pueden ser horizontales, verticales, diagonales o curvas. La precisión del

resultado, depende grandemente de la versión individual, la habilidad para trazar líneas y el

método de interpolación. La interpolación significa obtener matemáticamente, los valores de los

puntos que caen entre dos líneas; lo cual, en ocasiones, puede consumir una gran cantidad de

tiempo y esfuerzo.

El uso de la carta no se limita solamente a determinar las propiedades de una muestra de aire,

también se pueden calcular las cargas térmicas al calentar o enfriar la muestra de aire, con o sin

humidificación o deshumidificación, cambios en el volumen, mezclas de aire, etc.

149

150

4.7.- ENFRIAMIENTO DE AIRE.

En el enfriamiento o calentamiento del aire, desde condiciones indeseables hasta condiciones

que son adecuadas para el confort humano, se debe considerar la adición o remoción de dos

tipos de calor: calor sensible y calor latente. A continuación, veremos algunos ejemplos de

cambios de calor sensible y cambios de calor latente.

ENFRIAMIENTO SENSIBLE

El término «cambio de calor sensible», se refiere a un cambio en calor que provocará un cambio

en la temperatura del aire. Con frecuencia, al enfriar el aire seco y caliente del desierto, o al

calentar aire helado, se requerirá tan sólo un cambio en el calor sensible del aire. Puesto que un

cambio en el calor sensible del aire no afectará la cantidad de humedad de éste; dicho cambio

puede graficarse en la carta psicrométrica, paralelo a las líneas constantes de punto de rocío.

Esto significa que el punto de rocío del aire, no cambiará mientras sea solamente calor sensible el

que se agrega o se quita. Por otra parte, el peso total del aire en kg permanece constante, pero

su volumen (m³/kg) sí cambia, puesto que el aire se contrae al ser enfriado.

Ejemplo 4.5.

Enfriamiento sensible de aire. Si originalmente está a 43oC de bs, y 21oC de bh, y se quiere

enfriarlo a 17oC de bs y 12o de bh. Comparando las propiedades de la condición inicial (1), con

las de la condición final (2), podemos ver que hemos aumentado la hr del aire de

aproximadamente 13%, a aproximadamente 56%, como se muestra en la figura 13.21, aunque

no se ha cambiado el contenido de humedad del aire. Esto es porque al enfriar el aire, se le

reduce su capacidad de retención de humedad en saturación, y consecuentemente, se aumenta

la relación de humedad en el aire, con la máxima que podría retener a esa temperatura de bs.

Esta línea de enfriamiento sensible (1-2), es casi paralela a las líneas constantes de contenido de

humedad, que

son las mismas de la temperatura de punto de rocío; por lo que estos dos valores son constantes

y no cambian durante el enfriamiento sensible. En este ejemplo, el contenido de humedad es de

aproximadamente 6.4 g/kg de aire seco, y la temperatura de punto de rocío es de 8.2oC.

También podemos ver que al enfriar el aire, se ha disminuido su volumen específico de

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aproximadamente 0.905 m³/kg, que tenía en el punto 1, a aproximadamente 0.835 m³/kg en el

punto 2. Consecuentemente, al disminuir su volumen específico, aumenta su densidad. Como es

lógico, el aire con un cierto contenido de humedad, mientras más frío está es más denso. Al

graficar el cambio de entalpía para este efecto de enfriamiento sensible, se puede ver que en la

condición 1, contenía 61 kJ/kg (14.58 kcal/kg), mientras que en la condición 2 contiene 34.2 kJ/kg

(8.17 kcal/kg). Si restamos la entalpía 2 de la entalpía 1, llegamos a un cambio total de entalpía

de 6.41 kcal/kg. Por lo tanto, por cada kilogramo de aire que se enfríe de la condición.

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inicial a la final, se deben quitar 6.41 kcal/kg. Este cambio de calor sensible se muestra en la

figura 13.21 como hs. En la figura 13.22, se indican los resultados del enfriamiento sensible para

las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y de punto de rocío, y también para el volumen

al pasar el aire a través del equipo enfriador, en este caso, el serpentín (evaporador).

Aunque el ejemplo anterior muestra un proceso de enfriamiento sensible solamente, los cálculos

para hacer exactamente lo opuesto, como los sistemas de calefacción en invierno, son los

mismos. Esto es, cada kilogramo de aire calentado de 17oC de bs y 12oC de bh, hasta 43Oc de bs

y 21oC de bh, requerirá que se le agreguen 6.41 kilocalorías. Cualquier fuente de calor seco, ya

sea un horno, un serpentín de agua caliente o un calentador eléctrico, producirá un cambio en el

calor sensible solamente. Sin embargo, en el proceso de enfriamiento, la superficie exterior del

serpentín de enfriamiento (evaporador), debe estar arriba de la temperatura de punto de rocío

del aire, o se condensará la humedad, resultando en una transferencia de su calor latente

también.

ENFRIAMIENTO Y DESHUMIDIFICACIÓN

La combinación de enfriamiento y deshumidificación, se encuentra en prácticamente todos los

sistemas de aire acondicionado. La deshumidificación misma, no puede llevarse a cabo por la

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refrigeración mecánica, sin remover también el calor sensible. Si solamente se desea

deshumidificar individualmente, entonces deben utilizarse desecantes químicos.

La deshumidificación es la remoción del vapor de agua presente en el aire. La cantidad del vapor

de agua, presente dentro de una zona ocupada, variará dependiendo del número de personas

presentes y de su actividad, la condición del aire exterior, la estructura del edificio y la cantidad

de infiltración. Al enfriamiento y deshumidificación del aire para confort humano, se le conoce

comúnmente como aire acondicionado. Esto no es totalmente correcto, ya que el término «aire

acondicionado», se refiere a cualquiera o todas las fases de enfriar, calentar, ventilar, filtrar,

distribuir, etc., el aire, para que cumpla los requerimientos del espacio acondicionado. El

enfriamiento y deshumidificación del aire, es la fase del aire acondicionado que le concierne al

técnico en refrigeración, ya que normalmente, requiere el uso de un equipo de refrigeración

mecánica. Para poder producir el enfriamiento y la deshumidificación requeridos para el espacio

acondicionado, el equipo de refrigeración debe estar funcionando adecuadamente, y debe tener

la capacidad correcta para la aplicación. Cuántas veces hemos oído al desesperanzado cliente

decir:

«Sí, el equipo trabaja bien, pero no enfría lo suficiente»

Los cálculos para determinar la carga térmica en el espacio, y los requerimientos de la

distribución del aire, no son cubiertas en este texto; pero, sí podemos hacer una revisión rápida

con la ayuda de la carta psicrométrica, para ver qué tanta capacidad tiene un equipo de

refrigeración, bajo condiciones reales de trabajo. Las herramientas necesarias para estos cálculos

consisten de un psicrómetro, un instrumento para medir velocidades del aire ( un anemómetro,

un tubo de pitot, etc.), una calculadora y una carta psicrométrica. Por ejemplo, revisaremos la

capacidad de un sistema de aire acondicionado, el cual ha sido clasificado por el fabricante en 10

T.R o sea 30,240 kcal/h (120,000 btu/h). En nuestra prueba de capacidad, no usaremos las

mismas condiciones de prueba que el fabricante, pero podemos aproximarnos, utilizando 100%

de aire de retorno a la entrada del evaporador en un día caluroso de verano, ajustando la

velocidad del ventilador para que dé una velocidad del aire de aproximadamente 150 m/min,

sobre la superficie del serpentín. Mientras que este ejemplo se refiere específicamente al

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acondicionamiento de aire de verano, las condiciones de humedad controlada se aplican

igualmente al almacenamiento de carne, por ejemplo, en una cámara de conservación. Lo

primero que hay que hacer, es medir las temperaturas

de bs y de bh del aire que entra y sale del serpentín del evaporador. En este ejemplo, las

condiciones iniciales del aire son de 27oC de bs y de 20oC de bh; las condiciones a la salida o

finales son de 10oC de bs y 9oC de bh. Las lecturas de la velocidad del aire sobre el serpentín, se

sacan dividiendo mentalmente la superficie frontal del serpentín en cuadros de entre 5 y 8 cm (2

a 3 pulg.). Se toman lecturas en cada cuadro imaginario, se registran estas lecturas y se saca un

promedio. Mientras más lecturas se tomen, mayor será la precisión. En nuestro ejemplo,

usaremos una velocidad promedio del aire de 158 m/min, y un evaporador de 91 cm de largo por

46 cm de alto. El primer paso para calcular la capacidad del sistema, es trazar las condiciones del

aire a la entrada y a la salida del serpentín sobre la carta psicrométrica, tal como se muestra en la

figura 13.23. El punto 1 representa las condiciones de entrada del aire, y el punto 2 representa

de salida.

El punto 3, representa la temperatura aproximada real del serpentín. El punto 3 se encuentra

extendiendo la línea recta que conecta los puntos 1 y 2, hasta la curva de saturación. Este punto,

también llamado el «punto de rocío del aparato», es la temperatura promedio del agua que se

condensa sobre la superficie del serpentín. Conforme sea la condición se mueve a la izquierda de

la carta, removiendo calor del aire, pero también humedad. Enseguida, encontramos el cambio

de calor total en un kilogramo de aire, restando la entalpía en la condición de salida, de la

entalpía en la condición de entrada:

ht = 57.5-27.0= 30.5 kJ/kg (13.74-6.45 = 7.29 kcal/kg).

Puesto que el volumen del aire sobre el serpentín, es controlado por el ventilador, y que éste

mismo aire cambiará de densidad y volumen específico al cambiar la temperatura a través del

sistema, el siguiente paso será determinar el peso total del aire que circula por el ventilador. El

peso del aire no cambiará, puesto que la materia no puede ser creada ni destruida. El área

frontal del evaporador es de 91 x 46 cm o 0.4186 m² (0.91 m x 0.46 m). Si multiplicamos esto por

la velocidad del aire sobre el serpentín, tendremos un valor de 66.138 m³/min (0.4186 m² x 158

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m/min). Ahora, para poder convertir este volumen de aire a peso, dividimos los m³/min entre el

volumen específico del aire a las condiciones de entrada, ya que siempre debemos hacer los

cálculos para el punto al cual se tomó la medición de la velocidad del aire. Un vistazo a la carta,

muestra que la condición de entrada cae un poco menos de la mitad, entre las líneas constantes

de volumen de 0.85 y 0.90 m³/ kg de aire seco. Podemos estimar por interpolación, que el valor

de volumen específico es de 0.87 m³/kg; así pues, tenemos un peso total de aire circulado de

76.02 kg/min (66.138 ÷ 0.87). Ahora, del cálculo anterior, tenemos un cambio de entalpía de 7.29

kcal/kg y tenemos 76.02 kg de aire circulando por minuto. Multiplicando estos dos valores, nos

dará el cambio de entalpía en el aire por minuto, o sea, 7.29 x 76.02 = 554.2 kcal/min. La

capacidad total del equipo, bajo condiciones reales, se obtiene multiplicando las kcal/min por 60,

para obtener las kcal/h, 554.2 x 60 = 33,252 kcal/h, que son aproximadamente 11 T.R. Para

efecto de simplificar los cálculos, se puede utilizar la siguiente fórmula:

QT=A x Vx∆ hT x60

v

donde:

Qt = calor total (kcal/h).

A = área frontal del serpentín (m²).

V = velocidad del aire entrando al serpentín (m/min).

ht = cambio de entalpía, de la carta psicrométrica (kcal/kg).

v = volumen específico del aire entrando al serpentín (m³/kg).

Qt = (kcal/h)

Qt =

Ejemplo:

QT=0.4186m2 x158m /min x7.29

kcalkg

x 60min/hr

0.87m3/kg

QT=33,252kcla /hr

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4.8.- ZONA DE CONFORT

El ser humano estará confortable bajo una variedad de combinaciones de temperatura y

humedad. La mayoría de la gente está confortable en una atmósfera con una humedad relativa

de entre 30% y 70%, y una temperatura entre 21oC y 29oC. Estos puntos están representados

por el área resaltada en la carta psicrométrica de la figura 13.32. Dicha área se conoce como

zona de confort.

La razón por la cual existe la industria del acondicionamiento de aire (refrigeración, ventilación y

calefacción), es porque la naturaleza no siempre proporciona las condiciones ideales anteriores.

Un sistema de aire acondicionado, debe modificar las condiciones existentes, utilizando

diferentes procesos para lograr las condiciones deseadas. Estos procesos pueden modelarse

sobre la carta psicrométrica. En el interior, es posible controlar completamente los factores que

determinan el confort en un espacio encerrado. Hay una relación definida entre confort y las

condiciones de temperatura, humedad y movimiento del aire. En la figura 13.33, se ilustra la

condición de confort

constante, con temperaturas y humedades variantes. Nótese la zona de confort. El área

delineada, indica el rango usual de temperaturas y humedades, en el cual la mayoría de la gente

se siente confortable. Nótese también, que con una alta humedad relativa, uno está confortable

a menor temperatura, que a una temperatura deseada a condiciones de baja humedad relativa.

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4.9.- COMO FUNCIONA UN CHILLER

El chiller básicamente opera como lo indica el ciclo de Carnot: un fluido refrigerante (usualmente

conocido a través de la marca comercial Freón) en estado líquido, se fuerza a experimentar su

evaporación debido a una baja de presión en el sector conocido como evaporador adonde además y

fundamentalmente, toma calor del agua con la que indirectamente se pone en contacto. Es

exactamente en ese lugar adonde se produce el enfriamiento propiamente dicho del agua.

Ahora el agua sigue camino al proceso por su circuito y el refrigerante en estado de vapor (mal

denominado gas) es comprimido por un compresor frigorífico obligándolo a recorrer el circuito de

refrigeración. Seguidamente el refrigerante, en estado de vapor, ingresa al condensador adonde se

convierte al estado líquido liberando el calor que sustrajo en el evaporador. Para esto, en el caso de

los chiller condensados por aire, el calor sale del refrigerante para pasar al aire ambiente por acción

de unos ventiladores que fuerzan al aire a intercambiar con el refrigerante. En resumen, en el

evaporador, el agua se enfría (baja su temperatura) mientras que el refrigerante se calienta (se

evapora sin cambio de temperatura) en la exacta misma medida. Después, en el condensador, el

refrigerante vuelve al estado líquido cediéndole calor al aire ambiente (que eleva su temperatura).

Esta liberación de calor, al efectuarse en un lugar distinto al original (enfriamiento del agua),

consigue un efecto neto de "movimiento de calor" del proceso al ambiente.

¿Qué es un chiller?

Un Chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua fría para el enfriamiento

de procesos industriales. La idea consiste en extraer el calor generado en un proceso por contacto

con agua a una temperatura menor a la que el proceso finalmente debe quedar. Así, el proceso

cede calor bajando su temperatura y el agua, durante el paso por el proceso, la eleva. El agua ahora

"caliente" retorna al chiller adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada

nuevamente al proceso. Un chiller es un sistema completo de refrigeración que incluye un

compresor, un condensador, evaporador, válvula de expansión (evaporación), refrigerante y

tuberías, además de bomba de impulsión de agua a/desde el proceso, sistema electrónico de

control del sistema, depósito de agua, gabinete, etc. Distintos procesos requieren alimentarse con

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distintos caudales, presiones y temperaturas de agua. El agua se puede enfriar a temperaturas

finales que alcanzan los 20C o inclusive temperaturas negativas con la adición de anticongelantes,

como por ejemplo -20C (20C bajo cero).

ESQUEMA GENERAL DE UN CHILLER

CHILLER ENFRIADOS POR AIRE

CHILLER ENFRIADOS POR AGUA

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