T: Máquinas térmicas

Anuncio
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
Descargar