T: Máquinas térmicas
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UCLM M ÁQUINAS MÁQUINAS TTÉRMICAS, ÉRMICAS, REFRIGERADORES REFRIGERADORES yy BOMBAS BOMBAS DE DE CALOR CALOR Equipo docente Antonio J. Barbero / Alfonso Calera / Mariano Hernández Dpto. Física Aplicada. E.T.S. Agrónomos (Albacete) Pablo Muñiz / José A. de Toro Dpto. Física Aplicada. Escuela I.T.A. (Ciudad Real) 1 UCLM Máquinas térmicas: conversión de calor en trabajo, con las limitaciones marcadas por la Segunda Ley Elementos de un ciclo de compresión de vapor Ta Qa Fuente Caldera Qa CICLO Bomba Trabajo W neto Win Qb Tb Sumidero W = Wout + Win Wout Condensador Qb * Al menos dos focos a diferentes temperaturas * Un ciclo termodinámico Turbina La turbina produce trabajo → Wout>0 p * Un fluido de trabajo La bomba requiere trabajo → Win<0 V Ciclo recorrido en sentido horario W = Wout − Win 2 UCLM Máquinas térmicas: Rendimiento Balance de energía del ciclo: aplicamos el 1er principio. Qa + Qb − W = 0 Qa Ta Fuente Caldera Qa > 0 Qa Qb < 0 CICLO W >0 Bomba Trabajo W neto Win Qb Sumidero Tb Turbina W = Wout + Win Condensador Qb Qb<0, pues es el calor que sale del ciclo Qa − Qb = W Wout Qa = W + Qb El rendimiento es el cociente entre el trabajo neto producido y el calor que debe suministrarse al ciclo para producirlo η= Q W Qa − Qb = = 1− b Qa Qa Qa 3 UCLM Máquinas térmicas reversibles: teorema de Carnot Veamos la situación cuando todos los procesos de intercambio de energía ocurren de forma reversible Qa Ta Fuente Qa Qb W Q − Qb Trabajo = 1 − η =CICLO= a W Qa Qa Qa neto Máximo rendimiento termodinámicamente Caldera posible para una máquina térmica η rev out Win Qb ∆Suniverso Ta − Tb TTurbina = = = 1− b Qa Ta W = W + WTa Bomba W in Wout Todas las máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas temperaturas de fuente Sumidero Condensador Tb y sumidero tienen el mismo rendimiento (teorema de Carnot). Por ser un ciclo, la variación de entropía es nula Qb = ∆S a + ∆Sb + ∆S ciclo = 0 (todos los procesos son reversibles) Q ∆S a = a < 0 (la fuente a cede calor) Ta Q ∆Sb = b > 0 (el sumidero b recibe calor) Tb ∆Suniverso = ∆S a + ∆Sb = − Qa Ta = Qb Tb ⇒ Qb Qa = Qa Ta Tb Ta + Qb Tb =0 (Procesos reversibles) 4 UCLM Ciclos frigoríficos. Refrigeradores. Balance de energía del ciclo: aplicamos el 1er principio. Qa + Qb − W = 0 Ta Qa < 0 Qb > 0 Foco caliente Lo que se pretende con este ciclo es extraer energía del foco frío para mantener baja su temperatura. Eficiencia del ciclo frigorífico: Qa CICLO W <0 W Trabajo neto Cociente entre el calor extraído del foco frío y el trabajo necesario para llevar a cabo este proceso. ε = COP = Qb Tb Qb W Foco frío Coeficiente de operación frigorífica * Al menos dos focos a diferentes temperaturas * Un ciclo termodinámico p * Un fluido de trabajo … pero ahora se trata de transferir energía desde el foco frío Tb hacia el foco caliente Ta. Para hacerlo, es preciso aportar trabajo. V Ciclo recorrido en sentido antihorario 5 UCLM Ciclos frigoríficos. Refrigeradores. Esquema de funcionamiento de un ciclo de compresión de vapor Ta Qa Foco caliente Condensador Qa Qa < 0 Qb > 0 CICLO W W <0 Trabajo neto Válvula Compresor Qb W Tb Foco frío Eficiencia de un ciclo frigorífico ideal Cuando todos los procesos son reversibles ε = COP = Evaporador Qb T = b Qa Ta Qb / Qa Qb T /T Qb = = b a = Qa − Qb 1 − Qb / Qa 1 − Tb / Ta W Qb + W = Qa W = Qa − Qb Tb ε rev = COPrev = Qb Tb Ta − Tb El COPrev para un refrigerador es mayor que la unidad siempre que Tb > Ta-Tb 6 UCLM Ciclos frigoríficos. Refrigeradores. La temperatura a la cual se evapora un líquido (o se condensa un vapor) depende de la presión y de la temperatura; así pues, si se hace trabajar la máquina con un fluido adecuado, éste se evaporará a temperatura y presión bajas en el evaporador (tomando calor de su entorno) y se condensará a temperatura y presión altas en el condensador (desprendiendo calor a su entorno). El ciclo simple de refrigeración por compresión del vapor consta de cuatro elementos: Esquema de funcionamiento de un ciclo de compresión de vapor Qa Condensador Válvula Compresor 1. Evaporador: absorbe calor a baja temperatura haciendo hervir un líquido a baja presión. El evaporador absorbe calor del lugar que se quiere mantener a baja temperatura (foco frío). W 2. Compresor: aumenta la presión del vapor, consume energía mecánica. 3. Condensador: desprende calor a sus alrededores cuando se condensa el vapor a alta presión. Evaporador Tb Qb 4. Reductor de presión (válvula): la alta presión del líquido formado en el condensador debe reducirse antes de que el mismo sea devuelto al evaporador. 7 UCLM Ciclos frigoríficos. Bomba de calor. Funcionamiento de una bomba de Esquema funcionamiento de calor (ciclodecompresión de vapor) Un ciclo frigorífico puede utilizarse con el propósito no de enfriar un recinto, sino para calentar otro; es decir, para transferir calor desde un foco frío a la temperatura Tb hasta un recinto que queremos mantener a una temperatura mayor Ta. un ciclo de compresión de vapor En este caso, tenemos una bomba de calor, de eficiencia (o coeficiente de operación) dado por: ε = COP = Condensador Válvula Se define de esta manera porque ahora estamos interesados en el calor suministrado al recinto a temperatura Ta. Qa W Eficiencia de un ciclo frigorífico ideal usado como bomba de calor. Qb Qa Ta Qa Compresor W = Tb Ta Evaporador ε = COP = Qa W = Qa Qa − Qb = 1 1 − Qb / Qa 1 = 1 − Tb / Ta Tb Qb Q b W = Qa − Qb ε rev = COPrev = Ta Ta − Tb El COPrev para una bomba de calor es mayor que la unidad siempre que Ta > Ta-Tb 8
