Maquinas y equipos frigorificos.docx - MDULO UNO MQUINAS Y...

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Unformatted text preview: MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS U.D. 1 TERMODINÁMICA M 1 / UD 1 MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS U.D. 1 TERMODINÁMICA ÍNDICE Introducción.................................................................................. 9 Objetivos ........................................................................................ 11 1. Introducción al temario.......................................................... 13 2. Definición de termodinámica ................................................ 14 3. Introducción al concepto de energía .................................... 15 4. Introducción al concepto de trabajo ..................................... 16 5. Expresión del primer principio de la termodinámica.......... 17 6. Termometría............................................................................ 18 6.1. Definición de calor ....................................................... 18 6.2. Relación calor-movimiento molecular ........................ 18 6.3. Definición de frío ......................................................... 18 6.4. Intercambio de calor - Flujo de calor .......................... 19 6.5. Transmisión de calor .................................................... 20 6.6. Medición de la temperatura ........................................ 26 6.7. Escalas termométricas .................................................. 27 6.8. Fenómenos de dilatación ............................................. 29 6.9. Cero absoluto y escala termodinámica........................ 32 6.10. Unidades de calor.......................................................... 33 6.11. Fórmulas para la conversión de unidades de temperatura .............................................................. 33 6.12. Calor específico ............................................................. 34 6.13. Calor latente .................................................................. 35 6.14. Calor sensible................................................................. 37 6.15. Definición de sustancia pura ........................................ 38 6.16. Estados físicos de una sustancia pura ........................... 38 6.17. Cambios de estado físicos ............................................. 40 6.18. Saturación ...................................................................... 51 6.19. Diagramas de propiedades para procesos de cambios de fase......................................................... 54 7. Comportamiento de los gases ................................................ 60 7.1. Introducción .................................................................. 60 7.2. Características de los gases............................................ 60 7 7.3. Definición de gas ideal .................................................. 63 7.4. Ecuación de estado de un gas ideal.............................. 64 7.5. Constante de gas universal............................................ 65 7.6. Masa molar..................................................................... 65 7.7. Compresión de un gas ideal ........................................ 66 8. Calor y trabajo ......................................................................... 68 8.1. Clasficación, formas y tipos de energía ........................ 68 8.2. Definición de trabajo .................................................... 69 8.3. Tipos de transformación del trabajo ............................ 71 8.4. Potencia.......................................................................... 73 8.5. Unidades de medida ..................................................... 74 8.6. Estudio de los ciclos termodinámicos .......................... 75 9. Estudio termodinámico de los ciclos de refrigeración ......... 80 9.1. Introducción .................................................................. 80 9.2. El ciclo de refrigeración................................................ 80 9.3. Diagramas termodinámicos .......................................... 81 9.4. Diagrama P-V o diagrama de andrews ......................... 83 9.5. Diagrama T-S o diagrama entrópico ............................ 84 9.6. Diagrama P-H o diagrama entálpico ............................ 84 9.7. Diagrama H-S................................................................. 85 10. Higrometría ............................................................................. 86 10.1. Introducción .................................................................. 86 10.2. Definiciones ................................................................... 86 10.3. Métodos y aparatos de medida ..................................... 96 10.4. Carta psicrométrica ....................................................... 99 10.5. Composición diagrama psicrométrico ......................... 100 10.6. Estudio de las operaciones de tratamiento de aire ..... 107 Resumen ........................................................................................ 117 Glosario.......................................................................................... 123 Cuestionario de Autoevaluación .................................................. 143 Bibliografía .................................................................................... 147 INTRODUCCIÓN La termodinámica se define como la parte de la física que estudia las relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos, es decir, trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del calor en trabajo. También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía, así como los sistemas que se encuentran en equilibrio. Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas, siendo posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. En esta unidad nos centraremos en el estudio del comportamiento de la energía calorífica y las formas en que la energía se transforma en calor. Esto nos ayudará a comprender mejor de forma general por qué las máquinas no pueden ser totalmente eficientes y por qué es imposible enfriar un sistema hasta el cero absoluto, y en particular se estudiarán y comprenderán los conceptos básicos que serán necesarios en las siguientes unidades. OBJETIVOS En esta unidad se pretende que el alumno adquiera conocimientos básicos, y conozca conceptos que le serán útiles para la comprensión de las siguientes unidades. En concreto se tratará: • Calor, frío, trabajo, potencia, transmisión de calor y sus mecanismos, medición de la temperatura, consecuencias de los cambios de temperaturas, parámetros característicos de los gases, ciclos termodinámicos y estudio del acondicionamiento de aire. • Relaciones que existen entre los conceptos que se estudian, así como las formas en las que se pueden alterar estas relaciones. • Compresión de las relaciones que existen entre el estado de equilibrio de un sistema y las influencias externas a las que está sujeto el mismo. • El comportamiento de las sustancias utilizando como herramienta la termodinámica y en particular los diagramas de fase. • Proporcionar los fundamentos de psicrometría y de acondicionamiento de aire para comprender mejor el funcionamiento de las instalaciones de acondicionamiento de aire. 11 1. INTRODUCCIÓN AL TEMARIO En esta primera parte del temario se estudiarán conceptos básicos de la termodinámica, como calor trabajo, comportamiento de los gases y ciclos frigoríficos para poder comprender mejor los siguientes temas, que tienen como fin el estudio de sistemas frigoríficos que realicen las conversiones deseadas entre distintos tipos de energía. 13 2. DEFINICIÓN DE LA TERMODINÁMICA La termodinámica se define como la ciencia que estudia, interpreta y explica las interacciones energéticas que se dan entre los sistemas materiales, formulando leyes que rigen dichas interacciones, o dicho de una forma más practica, la termodinámica es la ciencia que estudia la energía y sus transformaciones, incluidas la formación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. 3. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE ENERGÍA Aunque intuitivamente todo el mundo tenga una idea del concepto de energía, es difícil dar una definición precisa de él. A groso modo se puede decir que es la capacidad para producir cambios. Así por ejemplo, la obtención de energía de una persona se hace a través de los alimentos. 4. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE TRABAJO La energía se emplea en andar, hablar, etc., en definitiva, en la realización de actividades que suponen trabajo. Siguiendo con este ejemplo, observamos que cuando una persona tiene una energía de entrada (alimentos) mayor que su salida (ejercicio) gana peso. También cuando una roca cae por un acantilado, gana velocidad a costa de perder altura, es decir, conforme pierde energía potencial gana energía cinética. 5. EXPRESIÓN DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Siguiendo los dos apartados anteriores, vemos cómo se cumple una de las leyes fundamentales de la naturaleza: “La energía ni se crea ni se destruye; sólo se transforma”, principio que se expone de una forma sencilla en la primera ley de la termodinámica: ∆ u = q-w donde: u es la variación de energía del sistema de un estado inicial hasta otro final Uf-Ui (energía final - energía inicial). q es el calor generado en el proceso. w es el trabajo realizado para pasar del estado inicial al estado final. Concluyendo así que la energía se puede emplear para la obtención de calor y trabajo. 6. TERMOMETRÍA Cuando tocamos un objeto el sentido del tacto nos proporciona sensaciones que nos permiten comparar la temperatura de un cuerpo con respecto a otro o con el medio que lo rodea, pero se trata sólo de una apreciación cualitativa y no es suficiente para poder dar una definición del término “temperatura”, que es una de las magnitudes básicas para el estudio de cualquier sistema termodinámico. La termometría se basa en el estudio de los conceptos que hacen que podamos convertir en algo cuantitativo o mensurable adjetivos como “frío” o “caliente”. 6.1. Definición de calor El calor se manifiesta de muchas formas en nuestra vida diaria: el calor solar, el calor generado al frotar las manos, el paso de corriente por una resistencia eléctrica con el desprendimiento de calor de una bombilla, etc., así pues, es una sensación que percibimos cuando nos encontramos enfrente de un cuerpo incandescente. El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas (o de un sistema y sus alrededores). 6.2. Relación calor - movimiento molecular El calor está relacionado con el movimiento de las partículas que son las divisiones más pequeñas que se puede hacer de cualquier sustancia sin que pierda su identidad química; de la siguiente forma: Una molécula al moverse genera calor y cuanto mayor sea su movimiento o velocidad más calor genera. Por otro lado, esta molécula al moverse choca con otras moléculas que, a raíz de esto, ven aumentada su velocidad y por lo tanto su generación de calor y que a su vez chocan con otras moléculas que chocan con otras,... etc. Así pues, cuanto más alta sea la velocidad de las moléculas que componen una sustancia mayor será la temperatura de esa sustancia manteniendo las condiciones del medio que la rodea. 6.3. Definición de frío Es la sensación que se produce con la falta de calor, es el término negativo del calor, que indica su disminución o ausencia. Si de alguna forma “extraemos” calor de una sustancia, el movimiento de sus moléculas será cada vez más lento. La “potencia” de un compresor o máquina frigorífica está relacionada con este concepto, ya que se refiere a la cantidad de frío producido, o mejor dicho, a la cantidad de calor que puede absorber. Así, si en el apartado anterior veíamos cómo el calor era un indicador del estado de agitación de las moléculas que componen una sustancia, en este apartado deducimos que el frío, por el contrario, es un indicador de que el movimiento de las moléculas es lento. 6.4. Intercambio de calor - Flujo de calor El movimiento de las partículas genera energía, como hemos visto anteriormente. Este tipo de energía se llama calor, y se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas, o entre un sistema y su entorno, cuando sus temperaturas son diferentes, de forma que pasa de uno a otro hasta que la cantidad de calor de ambos se iguala y se llega a un estado de equilibrio. Si pensamos en esto último deducimos con rapidez que el calor pasa del cuerpo o sistema que tiene “más cantidad de calor” al cuerpo o sistema que tiene “menos cantidad de calor”. Ejemplo: un caso muy cotidiano de esta transferencia de energía es lo que ocurre en nuestros frigoríficos. El evaporador de un frigorífico es la parte que absorbe calor, es decir el cuerpo frío (su configuración y funcionamiento será tratado con más detalle en el apartado correspondiente de esta unidad didáctica); el cuerpo caliente lo forman los alimentos que metemos en la nevera. Estos alimentos están, como poco, a temperatura ambiente cuando los introducimos en la nevera; el evaporador, por el contrario, se encuentra a varios grados bajo cero, con lo cual, el calor de los alimentos pasa al evaporador, consiguiendo así que se enfríen. El calor, como forma de energía, tiene las siguientes medida entre las más usuales: unidades de • Caloría [cal]: una caloría es la unidad de calor aportada o extraída para aumentar o reducir en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua. • Julio [J]: la cantidad de calor aportado o extraído para aumentar o reducir en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua es equivalente a 4´187 Julios. Esta es la unidad que se utiliza en el Sistema Métrico Internacional. • British Thermal Unit [Btu]: un Btu es la unidad de calor extraída para reducir en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua. Esta unidad de medida pertenece al sistema angloamericano. • Frigoría [fg]: es la unidad que se utiliza en la industria frigorífica para expresar las cantidades de calor transmitidas y para valorar la potencia de los compresores y máquinas frigoríficas. La Frigoría es una kilocaloría negativa: 1 fg = -1 kcal En el caso de la potencia de las máquinas frigoríficas, la hora es la unidad de tiempo utilizada para expresarla: Potencia frigorífica = fg/h La correspondencia entre las unidades antes expresadas es la siguiente: 1 Julio = 0´2389 kcal = -0´2389 fg = 0´9478 Btu 1 fg ó 1 kcal = 3´968 Btu 1Btu = 0´2516 kcal ó 0´2516 fg 6.5. Transmisión de calor Como ya hemos visto en el apartado anterior, al estar un sistema en presencia de otro, el calor se transmite del más caliente al menos caliente. Este intercambio de calor no se termina hasta que la temperatura de ambos sistemas se iguale, llegando a un estado de equilibrio térmico. La cantidad de calor transferida en el proceso entre dos estados 1 y 2 se expresa por medio de Q 12, o sólo por Q. Por otro lado, q es la transmisión de calor por unidad de masa de un sistema, y se determina de la siguiente manera: q = Q/m (kJ/kg) Así, en el ejemplo, q = 10/2 = 5kJ/kg Muchas veces es mejor conocer la cantidad de calor transferida por unidad de tiempo : = Q/ t En el ejemplo anterior = 10/5 = 2 kJ/s En cuanto a la dirección del flujo de calor la cantidad Q = 10 kJ no nos dice nada por sí sola, es decir, no sabemos si los 10 kJ son transferidos a nuestro o por nuestro sistema, a no ser que adoptemos un criterio de signos. El signo universalmente aceptado para el flujo de calor es el siguiente: la transferencia de calor hacia un sistema es positiva y la transferencia de calor desde un sistema es negativa; en definitiva, los flujos que incrementen la energía de un sistema se consideran con signo positivo y los que la disminuyan se cuentan con signo negativo. A la hora de la práctica debe darse gran importancia a los fenómenos físicos que rigen la transmisión del calor de un sistema a otro, o a través del mismo, siempre intentando conseguir dos objetivos: • Una transferencia de calor entre la parte fría y la parte caliente de la máquina frigorífica tan elevada como sea posible. • Una transferencia de calor entre el espacio refrigerado y el exterior tan bajo como sea posible. Para poder llevar a cabo estos dos objetivos es necesario distinguir los procesos que permiten esta transferencia de calor, definir los coeficientes de transmisión para cada proceso así como definir el coeficiente global de transmisión resultante de la simultaneidad de los distintos procesos de transferencia térmica. Se consideran tres formas de transmisión física del calor desde un cuerpo caliente a un cuerpo frío: - Por conducción. - Por convección. - Por radiación. Conducción La transmisión de calor por conducción es aquella que se realiza en un mismo cuerpo cuando sus partes presentan temperaturas distintas, o también entre cuerpos distintos que se encuentran a distintas temperaturas, siempre que estén en contacto físico. Es el resultado de aumentar la energía cinética parte de las moléculas de una sustancia, como se vio en apartados anteriores. Las moléculas que ven aumentada su energía cinética o velocidad van chocando con las que tienen al lado y éstas a su vez con otras… etc., obteniendo como resultado la propagación progresiva del calor en esa sustancia, cuerpo o sistema. Un ejemplo típico de este mecanismo de transmisión de calor es lo que ocurre cuando calentamos el extremo de una varilla metálica. Las moléculas del extremo ven aumentada su velocidad y comienzan a chocar con las que tienen a su alrededor, haciendo que la varilla se caliente a medida que pasa el tiempo y se producen choques entre partículas. Ésta es la explicación de que existan zonas diferenciadas, en cuanto a temperaturas se refiere, dentro de la misma varilla; es porque el movimiento de las partículas es distinto, es decir, el calor se va transmitiendo de unas a otras a lo largo de un periodo de tiempo conforme se va transmitiendo el movimiento. Otro ejemplo es lo que pasa cuando metemos una lata de refresco dentro del frigorífico. El calor del fluido que contiene se va transmitiendo a la lata conforme ésta se enfría. Entre los distintos materiales que existen se suele hacer una clasificación en dos grandes grupos, en función de la facilidad que tengan para propagar el calor por conducción. Aquellos materiales que no ofrecen resistencia a la propagación del calor se denominan conductores térmicos. Los metales en general son buenos conductores y, de entre ellos, la plata, el cobre y el aluminio son los mejores. Los materiales que, por el contrario, ofrecen una gran resistencia a la propagación del calor por conducción se denominan aislantes o calorífugos. Entre ellos se encuentran, en general, cuerpos que almacenan aire, como las plumas, la lana y también el corcho, poliestireno, cartón,… etc. También existen otros materiales que, sin ser aislantes térmicos, propagan el calor en muy poca medida, como pueden ser la madera, el vidrio, bastantes materias plásticas y la cerámica. Todos estos materiales son muy útiles e...
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  • Fall '17
  • Diana castañeda
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