LA MÁQUINA DE AIRE

INTRODUCCIÓN
 La utilización del are como fluido de trabajo, en
instalación de producción de frío, presenta una serie de
atractivos tales como su carácter no tóxico y su
disponibilidad a precio no competitivo. Sin embargo,
como contrapunto a estas ventajas, se encuentra la
imposibilidad de realizar un ciclo próximo al de Carnot,
dada la no viabilidad de transferencias térmicas de
carácter isotermo, ya que el aire va a mantenerse en
fase gaseosa sin cambio de estado.
LA MÁQUINA DE AIRE
ESTUDIO ENERGÉTICO
Pag. 2
E. TORRELLA
PRINCIPIO BASICO
CICLO CERRADO. "Joule o Bell-Coleman"
CICLO DE JOULE. Diferencia con CARNOT
Disipación
2
Potencia
Temperatura "T"
p = cte
Motor
3
recuperada
Turbina
1
p = cte
Compresor
4
Entropía "s"
Efecto útil
E. TORRELLA
Pag. 3
Las superficies triangulares comprendidas
entre el ciclo ficticio y las temperaturas "T" y
"To" representan el exceso de trabajo de la
máquina ideal de aire, respecto a un ciclo
de Carnot. Mostrando de esta manera el
descenso de eficacia que debe esperarse
con la máquina de aire frente a la ditérmica
"standard". Esta es una característica de
este sistema, que se ve de alguna manera
compensada por el menor "peso" en estas
máquinas respecto a las de compresión,
con lo que la potencia "específica" (por
unidad de masa) es mas baja, razón por la
que la máquina de aire tuvo su campo de
utilización en aplicaciones aeronáuticas (En
1944 se inició su uso en aviones por parte
de la firma Lockheed), para las que la masa
es un parámetro crítico, aunque debe
apuntarse que en la actualidad, incluso en
estas
aplicaciones,
el
sistema
de
compresión ha desbancado a las máquinas
de aire, con instalaciones competitivas
desde el punto de visto de masa total y COP
muy superiores.
E. TORRELLA
2
p = cte
Temperatura "T"

3
1
p = cte
4
Entropía "s"
Pag. 4
1
BASES DE CÁLCULO
ESQUEMA DE PRINCIPIO. CICLO ABIERTO


En ciclo abierto; el aire utilizado es expulsado en su totalidad al finalizar
su evolución, recogiéndose aire nuevo para comenzar un nuevo ciclo.
Esta forma de trabajar es la que siguen la práctica totalidad de las
máquinas.
En ciclo cerrado; el aire se mantiene en todo momento dentro del
sistema.
COMPRESOR
MOTOR
1’
2
4
INTERCAMBIADOR
RECINTO
 Antes de pasar al estudio de las transformaciones, y su cálculo, que
componen el ciclo descrito por la máquinas, es preciso señalar las
dos vías de evolución posibles en estas máquinas:
3
ENTRADA
AIRE
1
VENTILADOR
TURBINA
Pag. 5
E. TORRELLA
EL AIRE COMO GAS PERFECTO
MAQUINA PERFECTA. Hipótesis
 Inicialmente se introducen algunas hipótesis referentes
al comportamiento de aire como fluido de trabajo, en
una zona de utilización muy alejada de su punto crítico,
para la que:


Pag. 6
E. TORRELLA
El aire se considera "seco", únicamente constituido por el
conjunto de gases no condensables durante el funcionamiento
de la máquina. En otras palabras no va a ser considerada, en
una primera etapa, la presencia del vapor de agua presente en
el aire húmedo atmosférico.
La segunda hipótesis es la consideración de comportamiento
como gas perfecto en la mezcla de gases que integran el aires
seco. La consideración de gas perfecto, en ambos
componentes, implica el cumplimiento de la expresión :
T [ºC]
P [Bar]
v [m3/kg]
pv/RT
Desviación [%]
0
1.01
0.7734
0.9961
0.39
10
1.01
0.8019
0.9961
0.37
20
1.01
0.8299
0.9959
0.41
30
1.01
0.8584
0.9961
0.39
40
1.01
0.8865
0.9959
0.41
 De los resultados obtenidos, podemos deducir que la
consideración de comportamiento como gas perfecto en el aire
seco, es perfectamente aplicable tanto a la máquina perfecta
como a la real, cuyo tratamiento se analiza posteriormente.
p . v = R .T
E. TORRELLA
con un valor de "R" de 0.2871 KJ/Kg K.
Pag. 7
E. TORRELLA
Pag. 8
2
MAQUINA PERFECTA
Intercambio energético
MAQUINA PERFECTA. Transformaciones



Compresión ideal, isoentrópica, desde el estado "1"
(aire nuevo) a "2", aumentando con ello tanto la
presión como la temperatura del aire. El elemento
encargado es un compresor isoentrópico.
Cesión de calor, producida de manera isobárica
(pero no isoterma, al no tener lugar un cambio de
estado de agregación), hasta el punto "3". Esta
transmisión de calor tiene lugar en un
intercambiador de calor con una corriente de aire
nuevo no comprimido.
Expansión ideal, isoentrópica con producción de
trabajo, llevada a cabo en una turbina ideal,
consiguiendo que el aire que entra en estado "3"
descienda de nivel térmico hasta una temperatura
conveniente para su utilización. La producción de
trabajo que tiene lugar en el proceso se utiliza en el
accionamiento del ventilador que impulsa la
corriente de aire de enfriamiento en el
intercambiador.
El aire en condiciones "4" penetra en el recinto a
acondicionar, siendo posteriormente expulsado de
él con ciclo abierto, o recirculado en condiciones "1"
para ciclo cerrado. El efecto útil obtenido en el ciclo
será el de calentamiento del aire desde las
condiciones de entrada "4" a las de salida.
 Podemos obtener las características energéticas
correspondientes a los distintos equipos que constituyen
el ciclo, que por unidad de caudal circulante son:
2
Temperatura "T"

w C = h 2 - h1 = cp (T 2 - T1)
q I = h 2 - h 3 = cp (T 2 - T3)
3
T = cte
1
w T = h 3 - h 4 = c p (T 3 - T 4 )
4
q0 = h1 - h 4 = cp (T1 - T 4)
Entropía "s"
COP =
q0
wC - wT
T
T3 = T1
3
E. TORRELLA
MAQUINA PERFECTA, COP
1
s
Pag. 10
MAQUINA REAL. Desviaciones
 Introduciendo el exponente isoentrópico "", relación de
calores específicos a presión y volumen constantes
(cuyo valor para el aire puede tomarse como de 1,4), se
tiene:
 γ -1/γ 
q0
T3 = T 4 . t
T1 - T 4
=
COP =
 γ -1/γ 
w C - w T (T 2 - T3) - (T1 - T 4)
T 2 = T1 . t
 en la que "t" es la tasa de compresión con que trabajan
tanto el compresor como la turbina, con lo que el COP
pasa a ser:
1
1
COP =  γ -1/γ  =
- 1  p  γ -1/γ
t
1
  -1
p
 2
E. TORRELLA
T1 - T 4
(T 2 - T3) - (T1 - T 4)
2
4
Pag. 9
E. TORRELLA
=
Pag. 11
 El ciclo real que va a recorrer la corriente de aire seco
en funcionamiento real difiere, del estudiado en la
máquina perfecta, en los siguientes aspectos:



La compresión del aire no se realiza según isoentrópica.
La cesión de calor que tiene lugar en el intercambiador de calor
se produce con pérdidas de carga y con una superficie de
termotransferencia finita.
Del mismo modo que en compresor, en la turbina la
transformación experimentada es una politrópica (desviación
respecto a la isoentrópica).
 También para la máquina real va a considerarse que el
comportamiento del aire se corresponde con el de un
gas perfecto, ya que esto no introduce un error
significativo en el proceso de cálculo.
E. TORRELLA
Pag. 12
3
MAQUINA REAL. Proceso de compresión
MAQUINA REAL. Intercambiador de calor
 El estado final, resultante de la compresión de la
corriente de aire, puede ser caracterizado mediante la
definición de la eficiencia interna del compresor, la cual
tiene en consideración el comportamiento real de este
equipo, y cuya expresión, como en el caso de máquinas
de compresión, es de:
 ic =
h 2s - h1
h 2 - h1
 con lo que la temperatura final "T2", con la consideración
de calor específico constante, resulta ser:
T 2 = T1 +
 Transferencia térmica; el intercambiador es un equipo real, de superficie
finita, con lo que su eficacia está limitada, siendo esta la relación entre la
potencia térmica realmente transferida y la que se produciría en caso de un
intercambiador con disposición en contracorriente y superficie infinita, cuya
expresión es:
 = T 2 T3
T 2 - T1
obsérvese que con eficacia del 100% la temperatura de salida "T3" es igual
a la "T1".
 En segundo lugar es necesario contabilizar las pérdidas de carga que
acompañan el paso de la corriente de aire por el intercambiador,
provocando con ello una diferencia entre las presiones de entrada y salida,
de tal manera que:
p3 = p2 - Δp
T 2s - T1
 ic
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E. TORRELLA
CICLO DE LA MAQUINA REAL
MAQUINA REAL. Proceso de expansión
 De la misma manera que en la compresión, es necesario también ahora
considerar una eficiencia interna en este proceso, definida como:
 it =
Pag. 14
E. TORRELLA
T
2
2s
h3 - h 4
h 3 - h 4s
p2
p3
θ = T3
T1
3
 y la temperatura final resultante será:
T 4 = T3 -  it . (T3 - T 4s)
p1
p4
 Se observa que a una mayor perfección en el equipo se corresponde un
descenso mas pronunciado de la temperatura de salida.
4s
p 
ν = T 2s = T3 =  2 
T1 T 4s  p1 
( γ -1/γ)
1
4
s
E. TORRELLA
Pag. 15
E. TORRELLA
Pag. 16
4
COP DE LA MAQUINA REAL
θ=
T3
T1
ν=
T 2s T3  p2 
= 
=
T1 T 4s  p1 
COP =
1
t
 γ -1/γ 
-1
=
ANALISIS DEL COP DE LA MAQUINA REAL
T1 - T 4 = (T3 - T 4) - (T3 - T1) =  it (T3 - T 4s) - (T3 - T1) =
1
=  it θ T1 (1 - ) - T1 (θ - 1)
ν
T 2s - T1 = T1 (ν - 1)
T 2 - T1 =
( γ -1/γ)
 ic
 ic
1
T3 - T 4 =  it (T3 - T 4s) =  it θ T1 (1 - )
ν
1
 p1 
 
 p2 
γ -1/γ
COP =
-1
1
ν
 it θ (1 - ) - (θ - 1)
 ν -1
1

 -  it θ 1 - 
 ν
  ic 
1
ν
 it θ (1 - ) - (θ - 1)
 ν -1
1

 -  it θ 1 - 
 ν
  ic 
 De considerar igualdad en los rendimientos correspondientes a
compresor y turbina (Ric = Rit = Ri) puede obtenerse, por simple
derivación, el valor de "n" que hace máximo el valor del COP,
siendo su valor:
1 -  (1 -  i )
2 + 4 - 4 [1 +  i (  - 1)]
i 
 mx=
1 -  (1 -  i )
2
i 
 m x =  i = 1
 mientras que el valor del COP se anula para un valor de:
i 
=
1 -  (1 -  i )
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E. TORRELLA
COP =
Pag. 18
E. TORRELLA
REPRESENTACION GRAFICA DEL COP
INFLUENCIA HUMEDAD DEL AIRE
w
5
T1/ T3 =1,1174
COP
h4b
4
h3
h4a
3
4a
i =1
4b
3
w3
2
i =0,99
i =0,95
i =0,85
i =0,75
1
0
1,1
E. TORRELLA
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4

1,45
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
T4aT4’a
Pag. 19
E. TORRELLA
T4b
T3
T
Pag. 20
5
ESQUEMA CON ANTI-HIELO
DISPOSITIVO ANTI-HIELO. HONEYWELL
Pag. 21
DOBLE ETAPA DE COMPRESION
DISPOSICIONES DE MEJORA ENERGETICA
 Hasta ahora se ha limitado el estudio a la configuración mas simple
de la máquina de aire, sin embargo parece conveniente completar
la exposición con la exposición de una serie de ciclos alternativos
que han sido propuesto con el objetivo de mejora del rendimiento.



Pag. 22
E. TORRELLA
Doble etapa de compresión.
Sistemas regenerativos.
Doble expansión.
T
COMP. I
p4
4s 4
5
p2
2s 2
3
2
ENTRADA
AIRE
p1
6s 6
3
COMP. II
1
1
INTER. I
4
INTER. II
6
RECINTO
E. TORRELLA
5
TURBINA
s
E. TORRELLA
Pag. 23
E. TORRELLA
Pag. 24
6
DOBLE ETAPA DE COMPRESION
Características
DOBLE ETAPA DE COMPRESION
 En caso de precisar niveles elevados de presión, puede utilizarse la
configuración mostrada en la figura anterior, en la que el proceso de
compresión tiene lugar en dos etapas, con eliminación intermedia
de calor.
 El trabajo obtenido de la expansión en la turbina, puede utilizarse
como mínimo para el accionamiento del ventilador que impulsa el
aire exterior a través de los intercambiadores que se encuentran
aguas abajo de los compresores. Asimismo, este trabajo puede ser
utilizado en el accionamiento del compresor de la segunda etapa,
accionándose ahora el conjunto de ventiladores de manera
independiente.
 El tratamiento de cálculo es similar al descrito para el salto simple,
si bien ahora en la expresión del COP deben considerarse el
montante global de los dos compresores.
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E. TORRELLA
Pag. 26
E. TORRELLA
DOBLE EXPANSION
PRINCIPIO RECUPERACION
Disipación
p2
2s 2
COMPRESOR
6
4
2
1
5s
p1
3s 3
Compresor
5
4
Turbina
1
p6
5
INTER.
ENTRADA
AIRE
6
3
s
E. TORRELLA
RECINTO
T
TURB. I
Efecto útil
TURB. II
Pag. 27
E. TORRELLA
Pag. 28
7
SISTEMA REGENERATIVO.
Con aire del recinto
T
3
2s 2 p2
6
COMPRESOR
4
5
2
ENTRADA
AIRE
p1
5s
6
1
3
RECINTO
REGENERACION Y DOBLE COMPRESION
INTER. II
4
INTER. I
1
5
TURBINA
s
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E. TORRELLA
Pag. 30
E. TORRELLA
SISTEMAS REGENERATIVOS.
Con salida de turbina
APLICACIÓN CLIMATIZACION
REGENERACION Y DOBLE COMPRESION
p
2s 2 2
3
RECINTO
T
COMPRESOR
4
2
p1
5s
6
1
ENTRADA
AIRE
7
1
3
5
INTER. II
4
INTER. I
7
6
5
TURBINA
s
E. TORRELLA
Pag. 31
E. TORRELLA
Pag. 32
8
COMPARACION ENTRE SISTEMAS (Td)
COMPARACION ENTRE SISTEMAS (i)
COP
COP
0,6
0,75
CICLO SIMPLE
CICLO SIMPLE
CICLO DOBLE
CICLO DOBLE
0,5
REGENERATIVO
0,65
REGENERATIVO
0,4
0,3
0,55
0,2
0,45
PB = 1,2 [atm]; PA = 4 [atm]; PI = 2,6 [atm]
TFF = 303 K; EFI = 0,85; Rm = 0,9
0,1
0,35
0
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
EFICIENCIA INTERNA
E. TORRELLA
Pag. 33
PB = 1,2 [atm]; PA = 4 [atm]; PI = 2,6 [atm]
EFI = 0,85; Ri = 0,9; Rm = 0,9
273
278
283
288
293
298
303
308
313
TEMP. FOCO DISIPACIÓN [K]
Pag. 34
E. TORRELLA
COMPARACION ENTRE SISTEMAS (pA)
COMPARACION ENTRE SISTEMAS ()
COP
COP
0,7
CICLO SIMPLE
0,6
CICLO SIMPLE
CICLO DOBLE
CICLO DOBLE
0,6
REGENERATIVO
0,5
0,4
REGENERATIVO
0,5
0,3
0,4
PB = 1,2 [atm]; PA = 4 [atm]; PI = 2,6 [atm]
TFF = 303 K; Ri = 0,9; Rm = 0,9
0,2
PB = 1,2 [atm]; PI = MEDIA ENTRE PB Y PA
TFF = 303 K; EFI = 0,85; Rm = 0,9; i = 0,9
0,1
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
EFICIENCIA INTERCAMBIADORES
E. TORRELLA
0,95
0,3
1
1,6
Pag. 35
2,1
2,6
3,1
3,6
4,1
4,6
PRESION ALTA [atm]
E. TORRELLA
5,1
5,6
6,1
Pag. 36
9
ELEMENTOS
APLICACIÓN AA AERONAUTICA
Pag. 37
E. TORRELLA
Pag. 38
E. TORRELLA
EQUIPOS
AA AERONAUTICA
 Control de temperatura
 Toma aire del exterior,
lo fitra, purifica y trata
antes de su impulsión.
 Air is filter through
purification systems
 20 ft3 de aire por minute
y pasajero.
 El Sistema de aire para
pasajeros
es
independiente de otros
servicios.
E. TORRELLA
Pag. 39
E. TORRELLA
Pag. 40
10
PASO A TRAVÉS DE UN CATALIZADOR
OZONO
ENTRADA AIRE
Pag. 41
E. TORRELLA
Pag. 42
E. TORRELLA
ENTRADA A EQUIPOS
ENTRADA COLECTOR MEZCLA
Enters the mixing manifold
E. TORRELLA
Pag. 43
E. TORRELLA
44
11
MEZCLA AIRE EXTERIOR Y
RECIRCULADO
E. TORRELLA
IMPULSION AIRE RECINTO
Pag. 45
E. TORRELLA
Pag. 46
Pag. 47
E. TORRELLA
Pag. 48
SALIDA AIRE EXTRACCIÓN
E. TORRELLA
12
APLICACIÓN FERROCARRIL
OTRAS APLICACIONES
Pag. 49
E. TORRELLA
APLICACIONES DOMÉSTICA Y
COMERCIAL (5 Ton)
VEHÍCULOS MILITARES
E. TORRELLA
Pag. 50
E. TORRELLA
Pag. 51
E. TORRELLA
Pag. 52
13
MAYEKAWA PASCAL SYSTEM

CAÑONES DE NIEVE
El sistema Pascal es una
dispositivo
de
muy
baja
temperatura Es un sistema de
refrigeración que crea ultra-baja
temperatura (-50ºC a -100ºC)
usando un ciclo de aire.
E. TORRELLA
Pag. 53
E. TORRELLA
Pag. 54
14