Introducción Algunas de las máquinas térmicas que se construyeron en la antigüedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros se diseñaron con el fin de trabajar en propósitos eminentemente prácticos. En tiempos del del nacimiento de Cristo existían algunos modelos de máquinas térmicas, entendidas en esa época como instrumentos para la creación de movimientos autónomos, sin la participación de la tracción a sangre. La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como reemplazante de la tracción a sangre consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Savery. La máquina de Savery consistía en un cilindro conectado mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del agua. Los procesos termodinámicos que comenzó con la ley cero y la primera ley las cales solo hacen el estudio solo a procesos reversible que no toman en cuenta factores como la fricción, expansión irrestricta, la transferencia de calor y la mezcla de dos sustancias diferentes, y que al tratar de invertir el proceso no hay cambios ni en el sistema ni el entorno cosa que no sucede en la vida real en donde la mayoría de los procesos son irreversibles. La particularidad de esta segunda ley son sus dos postulados principales que hacen referencia directamente al funcionamiento de maquinas térmicas, asi como el enunciado de Carnot que plantea una Maquina térmica reversible con una eficiencia muy alta.
MÁQUINAS TÉRMICAS Las máquinas térmicas pertenecen al grupo de las de fluido compresible. Es decir, a aquellas que tienen la capacidad de realizar un intercambio de la energía mecánica mediante un fluido que logra atravesarlas. Por otra parte, el proceso mismo puede presentar diversas variantes. variantes. Es decir, si el procedimiento consigue que el fluido incremente su propia energía, entonces la maquinaria va a recibir el nombre de generadora, cuyos ejemplos más relevantes son los compresores y las bombas. En cambio, si el fluido disminuye notablemente su energía, entonces se la denomina como motora, donde se ubican las turbinas y los motores de explosión. Debido a estas variantes en el proceso, también se las puede clasificar en relación a la forma de compresibilidad del fluido en cuestión. Entonces nos podemos encontrar con varios tipos de máquinas térmicas. Uno de estos tipos es el hidráulico, que opera solamente con fluidos considerados como incomprensibles. Dentro de este grupo es posible destacar a las máquinas que operan con líquidos como el agua, al tiempo que algunos modelos también trabajan con gases, justamente cuando los mismos se comportan con ese grado extra de incomprensibilidad, siendo un ejemplo importante el ventilador. Asimismo, la energía que aprovechan es solo la mecánica, que se encuentra disponible en el mismo fluido, como el caso de la cinética y la potencial. Es por eso que si en algún determinado momento se aumenta el nivel de temperatura del fluido en la entrada de la maquinaria misma, entonces a la salida de ésta se podrá obtener un fluido mucho más caliente, sin que ese cambio de temperatura signifique necesariamente un provecho mayor de la energía. De esta forma es como los molinos, por ejemplo, hacen uso de la energía de las corrientes de agua, mientras que las centrales hidroeléctricas aprovechan aquel potencial que se encuentra en el agua, cuando la misma está embalsamada
Otro ejemplo que podemos mencionar dentro del grupo de máquinas de fluido comprensible son aquellas máquinas calificadas como volumétricas o bien como de desplazamiento positivo. Se trata de una clase que puede ser atravesada por un fluido conocido. Las mismas, a su vez, pueden subdividirse en dos grupos: las rotativas o las alternativas, siempre va a depender esto de la función del movimiento que puede llegar a obtenerse. Por otra parte, aquellas que son atravesadas por un fluido continuo reciben otro nombre, se trata de turbomáquinas, que además no pueden subclasificarse ya que son siempre rotativas. Modelos de máquinas térmicas Ahora bien, una vez determinados los modelos propios de las maquinarias de fluido comprensible, pasemos a definir las características propias de uno de los exponentes de este grupo: las máquinas térmicas. Esta clase opera con dichos fluidos, independientemente de si éstos son condensables como las máquinas térmicas de vapor o no condensables, como las turbinas de gas. Aquí lo que sucede es que hay un aprovechamiento de la energía térmica del fluido, fundamentalmente porque la energía mecánica se obtiene gracias a la expansión del fluido, es decir, gracias a que éste logra incrementar su volumen específico. Lo que ocurre es que cuando se incrementa el nivel de temperatura del fluido al momento de entrar a la máquina, entonces posteriormente se va a poder obtener una mayor cantidad de energía mecánica en el eje mismo de ésta. Cabe decirse que la termodinámica se ha ocupado del estudio de los intercambios de energía que se producen en los máquinas térmicas. Así como muchos grupos tienen distintos modelos, este caso no es la excepción.
A las máquinas térmicas las podemos clasificar teniendo presente dos criterios fundamentales: la cantidad de fluido que se maneja y el movimiento que la máquina va a llevar a cabo. En el caso de los motores térmicos, por ejemplo, la energía del fluido que va a atravesar la maquinaria va a disminuir de manera considerable, razón por la cual se obtiene energía mecánica. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los generadores térmicos, los cuales presentan un proceso inverso. De esta forma, el fluido va a incrementar la energía en el momento en el que atraviesa la máquina. Los motores térmicos, además, son en sí maquinarias, puesto que emplean la energía que ha sido resultado de un procedimiento de combustión, siempre con el objetivo de que se genera energía del fluido que va a ser aprovechado en instancias posteriores para obtener, justamente, energía mecánica. Para todo esto, deben realizarse ciertos ciclos denominados termodinámicos, los cuales necesitan de la utilización de un grupo generador que puede ser hidráulico o térmico. En el primer caso, se relaciona con los ciclos de las turbinas de vapor. En el segundo caso, se vincula con los ciclos de turbina de gas. Debido a esto, si el generador está ausente, entonces el grupo motor no va a poder funcionar correctamente.
Componentes Los elementos que componen una máquina son: Motor: es el mecanismo que transforma la energía para la realización del trabajo requerido.
Conviene señalar que los motores también son máquinas, en este caso destinadas a transformar la energía original (eléctrica, química, potencial, cinética) en energía mecánica en forma de rotación de un eje o movimiento alternativo de un pistón. Aquellas máquinas que realizan la transformación inversa, cuando es posible, se denominan máquinas generadoras o generadores y aunque pueda pensarse que se circunscriben a los generadores de energía eléctrica, también deben incluirse en esta categoría otro tipos de máquinas como, por ejemplo, las bombas o compresores. Evidentemente, en ambos casos hablaremos de máquina cuando tenga elementos móviles, de modo que quedarían excluidas, por ejemplo, pilas y baterías.
Mecanismo: es el conjunto de elementos mecánicos, de los que alguno será móvil, destinado a transformar la energía proporcionada por el motor en el efecto útil buscado. Bastidor: es la estructura rígida que soporta el motor y el mecanismo, garantizando el enlace entre todos los elementos. Componentes de seguridad: son aquellos que, sin contribuir al trabajo de la máquina, están destinados a proteger a las personas que trabajan con ella. Actualmente, en el ámbito industrial es de suma importancia la protección de los trabajadores, atendiendo al imperativo legal y económico y a la condición social de una empresa que constituye el campo de la seguridad laboral, que está
comprendida dentro del concepto más amplio de prevención de riesgos laborales. También es importante darles mantenimiento periódicamente para su buen funcionamiento no eso no es todo la polea puede llevar todo lo que sea fuerte Clasificaciones Pueden realizarse diferentes clasificaciones de los tipos de máquinas dependiendo del aspecto bajo el cual se las considere. Atendiendo a los componentes anteriormente descritos, se suelen realizar las siguientes clasificaciones: Motor fuente de energía
o Mecanismo o Tipo de bastidor movimiento principal
Máquinas manuales o de sangre. Máquinas eléctricas. Máquinas hidráulicas. Máquinas térmicas.
Máquinas rotativas. Máquinas alternativas. Máquinas de reacción.
Bastidor fijo. Bastidor móvil.
Dichas clasificaciones no son excluyentes, sino complementarias, de modo que para definir un cierto tipo de máquina será necesario hacer referencia a los tres aspectos. Otra posible clasificación de las máquinas es su utilidad o empleo, así pueden considerarse las taladradoras, elevadores, compresores, embaladoras, exprimidores, etc. La lista es interminable, pues el ser humano siempre ha perseguido el diseño y la construcción de ingenios
para conseguir con ellos trabajos que no puede realizar empleando su propia fuerza y habilidad o para realizar esos trabajos con mayor comodidad. Estas no son todas las clasificaciones, sino que hay otras, que pueden ser: máquina, máquina simple y máquina como herramienta. Máquina simple Una máquina simple es un artefacto mecánico que transforma una fuerza aplicada en otro resultante, modificando la magnitud de la fuerza, su dirección, la longitud de desplazamiento o una combinación de ellas. En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: «la energía ni se crea ni se destruye; solamente se transforma». La fuerza aplicada, multiplicada por la distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia resultante (trabajo resultante). Una máquina simple, ni crea ni destruye trabajo mecánico, sólo transforma algunas de sus características. Máquinas simples son la palanca, las poleas, el plano inclinado, etc. No se debe confundir una máquina simple con elementos de máquinas, mecanismos o sistema de control o regulación de otra fuente de energía. Enumeración de máquinas simples
Rueda Mecanismo de biela - manivela Cuña Palanca Plano inclinado Polea Tuerca husillo
Esta lista, sin embargo, no debe considerarse definitiva e inamovible. Algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros incluyen a la rueda como una máquina simple; también se considera el eje con ruedas una máquina simple, aunque sean dos de estas juntas por ser el resultado.
La cuña transforma una fuerza vertical en dos horizontales antagonistas. El ángulo de la cuña determina la proporción entre las fuerzas aplicada y resultante, de un modo parecido al plano inclinado. La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido. En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dada la conservación de la energía, cuando el ángulo del plano inclinado es más pequeño se puede levantar más peso con una misma fuerza aplicada pero, a cambio, la distancia a recorrer será mayor. La polea simple transforma el sentido de la fuerza; aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente. El valor de la fuerza aplicada y la resultante son iguales, pero de sentido opuesto. En un polipasto la proporción es distinta, pero se conserva igualmente la energía.
Tuerca husillo El mecanismo tuerca husillo trasforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manilla, en otro rectilíneo en el husillo, mediante un mecanismo de tornillo y tuerca. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo. Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeño avance del husillo, la relación entre las fuerzas es muy grande. Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa. Algunas convierten también la dirección de la fuerza. La relación entre la intensidad de la fuerza de entrada y la de salida es la ventaja mecánica. Por ejemplo, la ventaja mecánica de una palanca es igual a la relación entre la longitud de sus dos brazos. La ventaja mecánica de un plano inclinado, cuando la fuerza actúa en dirección paralela al plano, es la cosecante del ángulo de inclinación. A menudo, una herramienta consta de dos o más máquinas o artefactos simples, de modo que las máquinas simples se usan habitualmente en una cierta combinación, como componentes de máquinas más complejas. Por ejemplo, en el tornillo de Arquímedes, una bomba hidráulica, el tornillo es un plano inclinado helicoidal. Caldera La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor saturado. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
Esterilización (tindarización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" los instrumentos médicos; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización). Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petroles pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.
Tipos de caldera Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.
Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape.
Elementos, términos y componentes de una caldera
Agua de alimentación: es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización. Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones. Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada. Condensador: sistema que permite condensar el vapor. Estanque de acumulación: es el estanque de acumulación y distribución de vapor. Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera. Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera. Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. Fogón u hogar: alma de combustión del sistema,
para buscar una mejora continua de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera.
Combustible: material que produce energía calórica al quemarse. Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada. Ciclos de concentración: número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación. Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO 3 que confiere una concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5. Desoxigenación: tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas. Incrustación: sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. Dispersante: sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación. Antiincrustante: sistema químico que les permite a los sólidos permanecer incrustantes en solución. Anticorrosivo: sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua. Corrosión: véase Corrosión Índice de vapor /combustible: índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.
Condensador La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado. El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por uno tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más
calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico. Función del condensador La función principal del condensador en una central térmica es ser el foco frío o sumidero de calor dentro del ciclo termodinámico del grupo térmico. Por tanto, su misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación (calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua). En el caso de una máquina frigorífica, el condensador tiene por objetivo la disipación del calor absorbido en el evaporador y de la energía del compresor. Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos:
Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la instalación. El vapor de los by-passes de turbina de vapor, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado.
El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continua. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.
Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío. Disposición constructiva de un condensador en centrales térmicas Los condensadores que emplean aire como fluido refrigerante, llamados Aerocondensadores, tienen un bajo rendimiento y, por tanto, necesitan de grandes superficies para ser instalados. Este es el motivo de que el uso de este tipo de condensadores no esté generalizado, pasando a usarse sólo en los casos en los que no haya disponibilidad de agua. Nos centraremos, por tanto, en los condensadores de agua como fluido refrigerante. Los condensadores de las central térmica son cambiadores de calor tubulares, de superficie, del tipo carcasa y tubo en los que el agua (fluido refrigerante) circula por los tubos y el vapor (fluido enfriado) circula por el lado de la carcasa. Los tubos están dispuestos de forma horizontal, con una pequeña pendiente para poder ser drenados con facilidad y agrupados en paquetes. Las partes más significativas de un condensador son:
Cuello. Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene una parte más estrecha que se une al escape de la turbina de vapor bien directamente mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de la
presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada a la carcasa del condensador.
Carcasa o cuerpo. Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono. Cajas de agua. Colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración (agua de circulación) con el objeto de que ésta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento de protección contra la corrosión que varía desde la pintura tipo epoxy (para el agua de río) hasta el engomado(para el agua de mar). Suelen ir atornillados al cuerpo del condensador. Tubos. Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su disposición es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar). Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos. Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeración es agua de mar. La estanqueidad entre los extremos de los tubos y las placas de tubos se consigue mediante el aborcardado de los extremos de los tubos y mediante una soldadura de sellado.
Placas soporte. Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. Su número depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono. Pozo caliente. Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este depósito aspiran la bombas de extracción de condensado. Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida de la circulación de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire puede ser sacado al exterior. Sistema de extracción de aire. Dispositivos basados en eyector que emplean vapor como fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vacío. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de aire.
Tipos de condensadores para centrales térmicas Según su disposición relativa con respecto de la turbina de vapor, los condensadores pueden clasificarse en:
Axiales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son típicos de turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja presión es de un solo flujo y escape axial. Laterales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de baja presión de la turbina de vapor es de dos flujos. Inferiores. Están situados debajo de la turbina de vapor de baja presión, lo que les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupo turbogenerador esté en una cota más elevada, encareciéndose la obra civil. Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, éste es el tipo de condensador más usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene doble flujo, pudiendo haber además varios cuerpos.
Según el número de pasos pueden ser:
Un paso. Hay una única entrada y una única salida de agua en cada cuerpo del condensador. Típica en circuitos abiertos de refrigeración. Dos pasos. El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador.
Según el número de cuerpos:
Un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa.
Dos cuerpos. El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta disposición es muy útil, ya que permite funcionar sólo con medio condensador.
Bomba de calor Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan. Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza principalmente- por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una Válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa. Usos El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatización o HVAC, así como en sistemas domésticos de aire acondicionado, dado que el ciclo reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de extraer como de ingresar energía al medio -"enfriar" o "calentar"- con un mismo equipo, controlando arranques, paradas y el ciclo reversible en forma automática. Gracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina como para controlar el ambiente de un invernadero.
En la actualidad, y en pos del ahorro energético, cada vez es más usual encontrar arreglos de bombas de calor asistidos por colectores solares y en sistemas geotérmicos. Funcionamiento Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición. Éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor. El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, el que eleva su presión aumentando así su entalpía. Éste, al pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco caliente porque está aún más caliente que éste, donde cambia su estado a líquido. Después se le hace pasar por una válvula de expansión, donde recupera la presión inicial y se enfría bruscamente. Luego pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío, puesto que está más frío que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado, regresa al compresor, cerrándose el ciclo. La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la salida (descarga) del compresor y, según la temperatura del medio a climatizar (sensada en la presión de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante. Rendimiento La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina.
Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.
Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:
Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:
Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.
Turbina Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes. Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación. Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos. El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.
Tipos de turbinas Las turbinas, pueden clasificarse de acuerdo a los criterios expuestos en aquel artículo. Pero en el lenguaje común de las turbinas suele hablarse de dos subgrupos principales: Turbinas hidráulicas Rotor de una turbina Pelton, ésta es una turbina hidráulica de acción de admisión parcial. Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estátor; éstas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o aerogeneradores. Dentro de este género suele hablarse de:
Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector. Turbinas de reacción: Son aquellas en que el fluido sí sufre un cambio de presión considerable a través de su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la
atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo diagonal; Hélice>Flujo radial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo radial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores. El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton. El número específico de revoluciones, de menor a mayor es: peltonfrancis-kaplan. Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una pelton. Muy bien, pero ¿qué es el número específico de revoluciones?. Es un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes. Turbinas térmicas Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina. Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño:
Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas
a mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las más comunes.
Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.
También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:
Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estátor, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido. Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estátor, o posiblemente, sólo en rotor.
Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:
Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina. Turbinas de media presión. Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de las turbomáquinas.
Turbinas eólicas Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica.
La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o un dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente. Turbina Submarina Una Turbina Submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas. Ya que la velocidad de estas corrientes varía a lo largo de un año, se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino. Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos.
Conclusión La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vació e incomprensión que deja la primera ley con respecto a lo sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece un nuevo termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cual es el rendimiento de una maquina térmica ya sea un refrigerador o una bomba de calor obteniendo así información acerca del proceso termodinámico y por ende la modificación o el diseño de un refrigerador o bomba de calor optimo. Se pudo observar el por que las industrias que tuvieran una maquina térmica buscaban fuentes de agua naturales y espacios apartados, todo esto debido a que uno de los principios de la segunda ley son fuentes de baja y alta temperatura que puedan mantenerse constantes sin importar la transferencia de calor. Por ultimo el principio mas fundamental de esta ley es la experimentación practica ya que de ahí provienen dos de los postulados base de esta ley. Una bomba de calor es similar a un refrigerador la única diferencia es el propósito de la maquina térmica mientras que en un refrigerador se quiere que haya una transferencia de calor del entorno a la maquina térmica logrando asi bajar la temperatura del entorno, en la bomba la transferencia sucede desde la maquina térmica al entorno buscando asi el calentamiento del ambiente.
Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina http://html.rincondelvago.com/maquinas-termicas_2.html http://www.slideshare.net/tonivi99/maquinas-termicas-2953554 http://www.mitecnologico.com/Main/MaquinasTermicas Problemas resueltos de Máquinas y Motores Térmicos". J. Casanova, M. Valdés y G. Wolff. Secc. de Publicaciones de la E.T.S.I.I. Madrid, 1988. "Internal Combustion Engines Fundamentals". J.B. Heywood. Mc Graw Hill.
