UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

FUERZA MOTRIZ

Curso : Fuerza Motriz.

Profesor : Ricardo Seminario Vásquez.

Alumnos : Seminario Beltrán Edwin.

-2014-

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TRABAJO MECÁNICO

En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza se define como el pro- ducto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forman la una con el otro. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía. Matemáticamente:

W = F s cos α. Donde W es el trabajo mecánico, F es la magnitud de la fuerza, s es la magnitud del desplazamiento y α es el ángulo que forman entre sí la fuerza y el desplaza- miento. Cuando una fuerza es perpendicular al desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Si la partícula P recorre una cierta trayectoria en el espacio, su desplazamiento total entre dos posiciones A y B puede considerarse como el resultado de sumar infinitos desplazamientos elementales dr y el trabajo total realizado por la fuerza F en ese desplazamiento será la suma de todos esos trabajos elementales. Trabajo de expansión y compresión En termodinámica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo una presión desde un volumen A hasta otro volumen B. El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no constituye una variable de estado. La unidad básica de trabajo en el S.I. es newton por metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energía. Por eso se entiende que la energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de energía. El trabajo, desde el punto de vista mecánico, suele definirse como el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza. La definición de trabajo desde el punto de vista termodinámico es más general: un sistema realiza trabajo, interacción entre el sistema y su entorno, si el único efecto sobre el entorno podría ser el levantamiento de un peso. La magnitud del trabajo es el producto del peso por la distancia que podría levantarse. Figura 2.1: El trabajo en los diagramas de Clayperon. El convenio elegido para trabajo positivo es que si el sistema realiza trabajo sobre su entorno, entonces es positivo. El trabajo que realiza un émbolo que comprime un fluido es negativo mientras que un fluido expandiéndose contra un émbolo realiza un trabajo positivo.

Energía Interna La energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades. La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo. Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía potencial inter-molecular (debida a las fuerzas inter-moleculares). En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus moléculas. En un gas ideal poli atómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas. La energía interna U es una propiedad extensiva. La propiedad intensiva asociada es la energía interna específica u; es decir, u = U/m. En el caso de los sistemas simples en equilibrio, sólo se necesitan dos propiedades para determinar el estado de una sustancia pura, como el aire o el vapor de agua. Deducción de la primera ley Al primer principio de la termodinámica se le conoce generalmente con el nombre de principio de la conservación de la energía. En los cursos de física elemental, el estudio de la conservación de la energía hace hincapié en las variaciones de las energías cinética y potencial y en su relación con el trabajo. En una formulación más general del principio de conservación de la energía se incluyen los efectos de la transferencia de calor y de las variaciones de energía interna. Esta formulación más general recibe habitualmente el nombre de primer principio de la termodinámica. También pueden incluirse otras formas de energía, tales como las energías electrostática, magnética, de deformación y superficial. El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica se postula a partir del siguiente hecho experimental: En un sistema cerrado adiabático (aislado) que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido. Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el

trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna. Se define entonces la energía interna, U , como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno: Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica: La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores. Proceso adiabático En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema no intercambia calor con su entorno (∆Q = 0). Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico (∆S = 0). El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. En un proceso adiabático la primera ley se puede escribir como:

∆U + ∆W = 0.

El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales. Proceso isotérmico Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo a la evolución reversible de un sistema termodinámico que transcurre a temperatura constante. La compresión o la expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo. La expansión isoterma de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. Proceso Isobárico

Proceso Isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables mediante:

∆Q = ∆U + p ∆V. Proceso Isocórico Un proceso Isocórico, también llamado proceso isométrico o iso volumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen. Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:

Q = ∆U, Es decir, para un proceso Isocórico todo el calor que transfiramos al sistema que- dará a su energía interna. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura.

ENUNCIADOS CLÁSICOS DE LA SEGUNDA LEY La segunda ley de la termodinámica ha sido expresada de muchas maneras diferentes. Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. Enunciado de Clausius. Es imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de energía en forma de calor procedente de un foco térmico (o reservorio o depósito térmico), y la conversión de toda ésta energía en forma de calor en energía en forma de trabajo. Enunciado de Kelvin-Planck. Algunos corolarios del principio, a veces empleados como enunciados alternativos. Ningún proceso cíclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron. En un sistema aislado, ningún proceso puede ocurrir si a él se asocia una disminución de la entropía total del sistema. Corolario del principio, debido a Clausius. Visualmente, el segundo principio se puede expresar imaginando una caldera de un barco de vapor. Esta no podría producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presión elevadas comparadas con el medio que la rodea.

SEGUNDA LEY Y ENTROPÍA La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo. Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. 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 y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850. La función termodinámica entropía es central para la segunda ley. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Puesto que un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.

La variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados. Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química, que viene dada por la energía de Gibbs. PROCESOS IRREVERSIBLES Un proceso es irreversible si involucra transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita entre el sistema y su entorno. Sin embargo, el sistema puede comportarse durante este proceso irreversible como si el calor fuera transferido reversiblemente a través de una diferencia de temperatura infinitesimal. Se dice que este proceso es internamente reversible, porque nada ocurre dentro del sistema para que éste sea irreversible, pero es externamente irreversible. Un proceso satisface nuestra definición de proceso reversible únicamente si es interna y externamente reversible. Los procesos adiabáticos e isotérmicos sin fricción son interna y externamente reversibles. Un proceso que involucra fricción u otra irreversibilidad dentro del sistema, y también intercambia calor con el entorno a una temperatura diferente, es interna y externamente irreversible. Algunas relaciones desarrolladas para procesos reversibles involucran única- mente propiedades del sistema, y por consiguiente son válidas para procesos que son internamente reversibles, aun cuando sean externamente irreversibles. Un ciclo compuesto enteramente de procesos reversibles se conoce como ciclo reversible. Si todos los procesos son sólo internamente reversibles, el ciclo es internamente reversible. Para llevar al sistema, de nuevo, a su estado original hay que aplicarle un trabajo mayor que el producido por el gas, dando como resultado una transferencia de calor hacia el entorno, con un aumento de la entropía global. Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía. Así como la energía no puede crearse ni destruirse, la entropía puede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que como el Universo es un sistema aislado, su entropía crece constantemente con el tiempo. Esto marca un sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos Principio de evolución. Cuando la entropía sea máxima en el universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del Universo (enunciado por Clausius). Toda la energía se encontrará en forma de calor y no podrán darse transformaciones energéticas.

Las múltiples aplicaciones que tienen las calderas industriales, las condiciones variadas de trabajo y las innumerables exigencias de orden técnico y práctico que deben cumplir para que ofrezcan el máximo de garantías en cuanto a solidez, seguridad en su manejo, durabilidad y economía en su funcionamiento, ha obligado a los fabricantes de estos equipos a un perfeccionamiento constante a fin de encarar los problemas. La búsqueda de soluciones ha originado varios tipos existentes agrupados según sus características más importantes. El decreto Nº 48/84 define caldera como un recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción del calor. Una definición completa sería... Caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. Las calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo objetivo es: a) Generar agua caliente para calefacción y uso general. b) Generar vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción. En este punto se tratarán sólo aquellas partes generales relevantes propias del diseño de las calderas. Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de partes características, es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. En razón a lo anterior se analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento. 1. HOGAR O FOGON Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión. Los hogares se pueden clasificar en: a) Según su ubicación. - Hogar exterior. - Hogar interior. b) Según el tipo de combustible. - Hogar para combustible sólido. - Hogar para combustible gaseoso. C) Según su construcción. - Hogar liso. - Hogar corrugado. Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les dan el nombre de “Tubo Hogar”. 2. PUERTA HOGAR Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego.

En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. 3. EMPARRILLADO Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para que se produzca la combustión.

a) Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben cumplir principalmente los siguientes requisitos:

- Deben permitir convenientemente el paso del aire. - Deben permitir que caigan las cenizas. - Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez. - Deben impedir que se junte escoria. - Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no quemen o deformen. - Deben ser durables. Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarla y evitar recalentamientos. b) Tipos de parrilla: - Según su instalación: + Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se muevan durante el trabajo. + Móviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible. - Según su posición: - Horizontales - Inclinadas - Escalonadas. 4. CENICERO Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. 5. PUERTA DEL CENICERO Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de evitar el retroceso de la llama (”Lengua de Toro”). 6. ALTAR Es un pequeño muro de ladrillo, refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del fogón y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son:

- Impedir que caigan de la parrilla residuos o partículas de combustible. - Ofrecer resistencia a las llamas y gases para que éstos se distribuyan en forma pareja a lo ancho de la parrilla y lograr en esta forma una combustión completa. - Poner resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea. Con esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la temperatura adecuada. 7. MAMPOSTERIA Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tienen como objeto: a) Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor. b) Guiar los gases y humos calientes en su recorrido. Para mejorar la aislación de la manpostería se dispone, a veces, en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso del calor. En algunos tipos de calderas se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislación térmica en el cuerpo principal y cajas de humos. Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos. 8. CONDUCTOS DE HUMO Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para calentar el agua y/o producir vapor. 9. CAJA DE HUMO Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea. 10. CHIMENEA Es el conjunto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión. 11. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADOR Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o mejor paso a la salida de los gases y humos de la combustión. Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente, se usa una combinación con la puerta del cenicero. 12. TAPAS DE REGISTRO O PUERTAS DE INSPECCION Son aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos, dependiendo de su tamaño: - Las puertas hombre - Las tapas de registro.

La puerta hombre por sus dimensiones permite el paso de un hombre al interior de la caldera. Las tapas de registro, por ser de menor tamaño, permiten sólo el paso de un brazo. 13. PUERTAS DE EXPLOSION Son puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Sólo son utilizables en calderas que trabajen con combustible líquido o gaseoso. 14. CAMARA DE AGUA Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo. 15. CAMARA DE VAPOR Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara, llamada “domo”, y que contribuye a mejorar la calidad del vapor (hacerlo más seco). 16. CAMARA DE ALIMENTACION DE AGUA Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la cámara, se encuentra ocupada por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA a) Calderas humotubulares

En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos mientras que el

agua se calienta y evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema está contenido

dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión.

b) Calderas acuotubulares Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor. Por fuera, generalmente en flujo cruzado, intercambian calor los humos productos de la combustión. En este tipo de calderas además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRESIÓN DE TRABAJO DE LA CALDERA a) Calderas de baja presión Calderas que producen vapor a baja presión, hasta unos 4 o 5 kg/cm2. Este rango de presiones es más común en las calderas de agua caliente que en las calderas que generan vapor. b) Calderas de media presión Producen vapor hasta aproximadamente 20kg/cm2. Generalmente vapor saturado, utilizadas en la industria en general. c) Calderas de alta presión Asociadas a ciclos de potencia, trabajan con presiones de 20 kg/cm2 hasta presiones cercanas a la crítica. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRODUCCIÓN DE VAPOR

a) Calderas chicas

Producen hasta 1 o 2 toneladas de vapor saturado por hora.

b) Calderas medianas

Producciones de hasta aproximadamente 20 toneladas de vapor por hora. Las calderas chicas y medianas casi en su totalidad son calderas humotubulares de baja y media presión.

c) Calderas grandes

Calderas que producen desde 20 toneladas de vapor por hora, siendo normal encontrar producciones de 500 y 600 toneladas por hora. Generalmente vapor sobrecalentado, siendo calderas acuotubulares. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL COMBUSTIBLE UTILIZADO a) Calderas de combustibles líquidos Se fabrican Generadores de Vapor de todo tipo y tamaño que utilizan combustibles líquidos. Requieren de instalaciones de almacenaje y tanques de servicio, de elementos de precalentamiento del fuel y de sistemas de bombeo y transporte. En las plantas industriales en general se utilizan felús de viscosidad del orden de 380 - 450 (100ºC).

De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento, ab- sorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercialmente. Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y características que los hacen más apropiados. Recientemente, se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la estratósfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas mezclas ternarias (ver capítulo 9). Los grandes fabricantes de refrigerantes, siguen trabajando en el desarrollo de nuevos productos. Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarido con los números, así como con los nombres de los refrigerantes. En la tabla 12.3, aparecen los refrigerantes más comunes. Cabe mencionar que las mezclas zeotrópicas, son refrigerantes transitorios que se desarrollaron para substituir al R-22 y al R-502, aunque algunas de estas, van a permanecer como sustitutos de estos refrigerantes. Propiedades Termodinámicas Son aquellas que tienen relación con el movimiento del calor. Estas propiedades se publican para cada refrigerante en forma de tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de Saturación de Líquido y Vapor, y Propiedades del Vapor Sobrecalentado. Las primeras se dan comúnmente a intervalos de temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presión, como de temperatura. Estas tablas son elaboradas por los fabricantes de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o boletines técnicos. Las de mayor aplicación para resol- ver problemas de cálculos y diseño de equipos, son las tablas de propiedades termodinámicas de saturación. Propiedades de Saturación. En la tabla 12.12, se muestra parcialmente las propiedades de saturación para el R-22. La primera columna es la temperatura en grados centígrados. Las siguientes dos columnas, son presiones absoluta y manométrica en kPa (o en psig). Las dos columnas siguientes son los valores del volumen, uno es la cantidad de litros que ocupa un kilogramo de refrigeran- te líquido, el otro, es la cantidad de m³ de vapor saturado de refrigerante que se necesita para hacer un kilogramo.

Enseguida del volumen están las columnas de los valores de la densidad, estas son los kilogramos de refrigerante líquido en un litro y los kilogramos de vapor de refrigerante saturado en un m³. Estos valores son los recíprocos de los valores del volumen. Después, hay tres columnas del contenido de calor; la primera es el calor del líquido arriba de -40°C, la segunda es el calor latente, y la tercera es el calor total. Las últimas dos columnas son de la entropía en fase líquida y en fase vapor del refrigerante. A continuación, se describirán cada una de estas propiedades, aunque no necesariamente en ese mismo orden. 1. Presión Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador, deben ser superiores a la presión atmosférica. Si la presión en el evaporador es negativa, es decir, que se esté trabajando en vacío, hay riesgo de que por una fuga entre aire al sistema. Por esto, el refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible, pero ligera- mente superior a la presión atmosférica. Por otra parte, la presión de condensación debe ser lo suficientemente baja, ya que esto determina la robustez del compresor y del condensador. Mientras más alta sea la presión, se requiere un equipo más robusto, y por lo tanto, más caro. 2. Temperatura Hay tres temperaturas que son importantes para un refrigerante y que deben ser consideradas al hacer la selección. Estas son: la de ebullición, la crítica y la de congelación. La temperatura de ebullición de un refrigerante, siempre es referida a la presión atmosférica normal de 101.3 kPa (0 psig). Se puede decir, que el punto de ebullición de cualquier líquido, es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la atmosférica. El punto de ebullición de un refrigerante debe ser bajo, para que aún operando a presiones positivas, se pueda tener una temperatura baja en el evaporador. En la tabla 12.5, se muestran las temperaturas de ebullición de los refrigerantes escogidos para efectos de comparación. Obsérvese que el R-170 (etano), tiene la temperatura de ebullición más baja, -88.6°C y el R-718 (agua) tiene la más alta (100°C) 3. Volumen Cuando se comparan densidades de gases, es común expresarlas en volumen específico. El volumen específico de un refrigerante en fase vapor, no es otra cosa, que el volumen en metros cúbicos (m³) o en litros (l) que ocupará un kilogramo de refrigerante a condiciones normales; esto es, a una temperatura de 20°C y a la presión atmosférica de 101.3 kPa. (14.7 psia). En la figura 12.10, se muestran los volúmenes específicos en las fases líquidas y vapor, para los diferentes refrigerantes seleccionados, a una temperatura de -15°C (5°F).

El R-718 (agua) está considerado a una temperatura de 4°C, ya que a la temperatura de -15°C estaría congelado. En un sistema de refrigeración, al agregar calor al refrigerante, aumenta su temperatura y su volumen específico, pero su presión permanece constante; ya que, en el evaporador, en la línea de succión y en el condensador, la temperatura de saturación es lo que controla la presión del vapor sobrecalentado. Inversamente, si disminuye la temperatura del refrigerante, disminuye su volumen específico. Como puede observarse en la figura 12.10, el volumen específico en fase líquida del R-718 (agua) es 1.0 l/kg, esto significa que un kilogramo de agua líquida ocupa un volumen de un litro. Por esta razón, el agua es el líquido que se usa como referencia para comparación con otros líquidos. MEZCLAS ZEOTRÓPICAS. Se llama así a las mezclas forma- das por dos o más componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad. Cuando estas mezclas se evaporan o se condensan en un sistema de refrigeración, su composición y su temperatura de saturación cambian. La palabra zeótropo se deriva de las palabras griegas zein = hervir, y tropos = cambiar. Al hervir esta mezcla en un evaporador, la composición del líquido remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el líquido, se evapora un porcentaje más elevado del componente más volátil. Por lo tanto, conforme continúa hirviendo la mezcla, el líquido remanente tiene menor concentración del componente más volátil, y mayor concentración del menos volátil. El cambio de composición del líquido, da como resultado un cambio en el punto de ebullición. La temperatura a la cual empieza a hervir el líquido (líquido saturado), se le conoce punto de burbuja. La temperatura a la cual se evapora la última gota de líquido (vapor saturado), se le llama punto de rocío. A una misma presión, la temperatura del punto de burbuja es más baja que la del punto de rocío para cualquier mezcla zeotrópica. A este fenómeno se le conoce como "deslizamiento de temperatura". Este deslizamiento de temperatura también ocurre en el condensador, pero aquí, la temperatura de condensación disminuye en lugar de aumentar. El inicio de la condensación es en su punto de rocío, cuando todo el vapor se ha condensado, este es el punto de burbuja. El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la mezcla, desde 1° ó 2 °C hasta varias decenas de grados centígrados. Cuando una mezcla tiene un desliza- miento menor, que no conduce a errores consecuentes en el cálculo para una aplicación en un sistema de refrigeración, se le llama "mezcla casi azeotrópica". MEZCLAS AZEOTRÓPICAS. Se llama así a las mezclas de dos o más componentes de diferente volatilidad, las cuales, al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, NO cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el evaporador, o se condensan a una presión constante. La composición del líquido es la misma que la del vapor. Las mezclas azeotrópicas pueden inclusive ser destila- das, sin que cambie su composición. El prefijo "a" antes de la palabra zeótropo, es de raíz latina, y significa una negación, por lo que la palabra azeótropo se puede interpretar como que "no cambia al hervir".

Al combinar los componentes, la mezcla resultante se comporta en muchas maneras, como si fuera un solo refrigerante puro, con una sola temperatura de saturación correspondiente a una presión dada. Generalmente el punto de ebullición resultante de una mezcla azeotrópica, es menor o igual que el del componente con el más bajo punto de ebullición, como se puede ver en la tabla de la figura 12.26. En esta tabla, se muestran algunos ejemplos de mezclas azeotrópicas, la mayoría de las cuales no tienen importancia comercial, y en algunos casos, incluyen materiales tóxicos o inflamables. Las mezclas que contienen refrigerantes clorofluorocarbonos (CFC) como R-12, R-114, R-115, etc... van a desaparecer ya que estos refrigerantes CFC se dejaron de utilizar a fines del año 1995. Las mezclas que contienen refrigerantes hidroclorofluorocarbonos (HCFC) como el R-22, R-23, R-152a, R-143a, R-125, etc. van a permanecer un poco más tiempo en el mercado, puesto que estos refrigerantes están programados para desfasamiento para el año 2030 o antes.

PRINCIPIO TERMODINÁMICO Una turbina de gas funciona según el principio de ciclo abierto. Una característica típica del ciclo abierto es que: la sustancia activa se toma del ambiente y se vuelve al ambiente. Compresión adiabática del gas frío con un compresor (A) de presión ambiente p1 a la presión p2, con el aumento de temperatura respectivo de T1 a T2. Calentamiento isobárico de gas de T2 a T3 mediante la alimentación de calor. La alimentación de calor se realiza quemando combustible con el oxígeno atmosférico en la cámara de combustión (B). Expansión adiabática de gas caliente en una turbina (C) de presión p2 a p1, con la reducción de temperatura correspondiente de T3 a T4. Una parte de la potencia, que se extrae con la turbina, sirve para el accionamiento del compre- sor. El resto queda disponible como potencia útil. Así se puede accionar, p. ej., un generador (D). ÁREAS DE APLICACIÓN Se utilizan turbinas de gas cuando se requiere una potencia alta y un peso escaso. Propulsión de aviones con motores turborreactores y de hélice Propulsión de barcos rápidos, locomotoras y vehículos de carga rápidos Propulsión de generadores eléctricos en centrales energéticas Propulsión de compresores y bombas en la extracción de gas natural y aceite

PRINCIPIO DE UNA TURBINA DE GAS DE EJE DOBLE Una turbina de gas de eje doble consta de dos turbinas independientes. La primera turbina (de alta presión) está acoplada de forma fija con el compre- sor y lo acciona. La segunda turbina (de potencia) no está conectada mecánicamente con la turbina de alta presión y produce la potencia útil del sistema. Con esta se acciona un vehículo, una hélice o un generador. La ventaja de la turbina de gas de eje doble. Consiste en que el compresor y la turbina de alta presión se pueden utilizar con un número de revoluciones óptimo para la potencia. La turbina de potencia, por el contra- rio, se puede adaptar de forma ideal con el número de revoluciones o con el par a la función de propulsión. Mientras que en los vehículos se demanda una potencia muy variable, un alternador sincrónico funciona con un número de revoluciones lo más constante posible. La turbina se acciona con gas combustible. Un compresor auxiliar accionado eléctricamente (soplado inicial) pone en marcha la turbina. Con un número de revoluciones mínimo determinado, se insufla el gas combustible en la cámara de combustión y se enciende con electricidad. Al alcanzar el número de revoluciones de autoclavado, el compresor auxiliar se apaga y la turbina sigue funcionando

con su propia energía. La lubricación y refrigeración de los cojinetes de la turbina la realiza un circuito de aceite con refrigerante de agua y aceite regulado por termostato, una bomba de aceite y un filtro de aceite. La turbina se apaga automáticamente cuando la temperatura del aceite es demasiado alta o la presión del aceite es escasa.