LA MÁQUINA DE AIRE ESTUDIO ENERGÉTICO. PRINCIPIO BASICO CICLO CERRADO. "Joule o Bell-Coleman" CICLO DE JOULE Diferencia con CARNOT. E. TORRELLA Pag.

Transcripción

1 " LA MÁQUINA DE ESUDIO ENERGÉICO La utilización del are como fluido de trabajo, en instalación de producción de frío, presenta una serie de atractivos tales como su carácter no tóxico y su disponibilidad a precio no competitivo. Sin embargo, como contrapunto a estas ventajas, se encuentra la imposibilidad de realizar un ciclo próximo al de Carnot, dada la no viabilidad de transferencias térmicas de carácter isotermo, ya que el aire va a mantenerse en fase gaseosa sin cambio de estado. E. ORRELLA E. ORRELLA Pag. PRINCIPIO BASICO CICLO CERRADO. "Joule o Bell-Coleman" CICLO DE JOULE Diferencia con CARNO emperatura "" p = cte p = cte Entropía "s" Motor Disipación Potencia recuperada Compresor Efecto útil urbina Las superficies triangulares comprendidas entre el ciclo ficticio y las temperaturas "" y " o " representan el exceso de trabajo de la máquina ideal de aire, respecto a un ciclo de Carnot. Mostrando de esta manera el descenso de eficacia que debe esperarse con la máquina de aire frente a la ditérmica "standard". Esta es una característica de este sistema, que se ve de alguna manera compensada por el menor "peso" en estas máquinas respecto a las de compresión, q p p (p unidad de masa es mas baja, razón por la que la máquina de aire tuvo su campo de utilización en aplicaciones aeronáuticas, para las que la masa es un parámetro crítico, aunque debe apuntarse que en la actualidad, incluso en estas aplicaciones, el sistema de compresión ha desbancado a las máquinas de aire, con instalaciones competitivas desde el punto de visto de masa total y muy superiores. emperatura "" "con lo que la potencia "específica" (por p = cte p = cte Entropía "s" E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag.

2 FIGURA PRECURSORA DR. JOHN GORRIE (80-8 PRIMERAS MAQUINAS INDUSRIALES J. & E. Hall Ltd. PRINCIPIOS DE 900 Primera máquina de producción e hielo. Destino hospital de Florida. Máquina de aire E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag. BASES DE CÁLCULO ESQUEMA DE PRINCIPIO CICLO ABIERO Antes de pasar al estudio de las transformaciones, y su cálculo, que componen el ciclo descrito por la máquinas, es preciso señalar las dos vías de evolución posibles en estas máquinas: En ciclo abierto; el aire utilizado es expulsado en su totalidad al finalizar su evolución, recogiéndose aire nuevo para comenzar un nuevo ciclo. Esta forma de trabajar es la que siguen la práctica totalidad de las máquinas. En ciclo cerrado; el aire se mantiene en todo momento dentro del sistema. MOOR COMPRESOR INERCAMBIADOR REC CINO ENRADA VENILADOR URBINA E. ORRELLA Pag. 7 E. ORRELLA Pag. 8

3 " MAQUINA PERFECA Hipótesis EL COMO GAS PERFECO Inicialmente se introducen algunas hipótesis referentes al comportamiento de aire como fluido de trabajo, en una zona de utilización muy alejada de su punto crítico, para la que: El aire se considera "seco", únicamente constituido por el conjunto de gases no condensables durante el funcionamiento de la máquina. En otras palabras no va a ser considerada, en una primera etapa, la presencia del vapor de agua presente en el aire húmedo atmosférico. La segunda hipótesis es la consideración de comportamiento como gas perfecto en la mezcla de gases que integran el aires seco. La consideración de gas perfecto, en ambos componentes, implica el cumplimiento de la expresión : p.v= R. E. ORRELLA con un valor de "R" de 0.87 KJ/Kg K. Pag. 9 [ C] p [bar] v [m /Kg] pv/r Desviación [%] De los resultados obtenidos, podemos deducir que la consideración de comportamiento como gas perfecto en el aire seco, es perfectamente aplicable tanto a la máquina perfecta como a la real, cuyo tratamiento se analiza posteriormente. E. ORRELLA Pag. 0 MAQUINA PERFECA ransformaciones MAQUINA PERFECA Intercambio energético Compresión ideal, isoentrópica, desde el estado "" (aire nuevo a "", aumentando con ello tanto la presión como la temperatura del aire. El elemento encargado es un compresor isoentrópico. Cesión de calor, producida de manera isobárica (pero no isoterma, al no tener lugar un cambio de estado de agregación, hasta el punto "". Esta transmisión de calor tiene lugar en un intercambiador de calor con una corriente de aire nuevo no comprimido. Expansión ideal, isoentrópica con producción de trabajo, llevada a cabo en una turbina ideal, consiguiendo que el aire que entra en estado "" descienda de nivel térmico hasta una temperatura conveniente para su utilización. La producción de trabajo que tiene lugar en el proceso se utiliza en el accionamiento del ventilador que impulsa la corriente de aire de enfriamiento en el intercambiador. El aire en condiciones "" penetra en el recinto a acondicionar, siendo posteriormente expulsado de él con ciclo abierto, o recirculado en condiciones "" para ciclo cerrado. El efecto útil obtenido en el ciclo será el de calentamiento del aire desde las condiciones de entrada "" a las de salida. emperatura "" = cte Entropía "s" Podemos obtener las características energéticas correspondientes a los distintos equipos que constituyen el ciclo, que por unidad de caudal circulante son: = h - h = cp ( - wc = h - h = cp ( - qi = h - h = cp ( - w = h - h = cp ( - q0 q0 - = = wc - w ( - - ( - = E. ORRELLA Pag. s E. ORRELLA Pag.

4 MAQUINA PERFECA Introduciendo el exponente isoentrópico "γ", relación de calores específicos a presión y volumen constantes (cuyo valor para el aire puede tomarse como de,, se tiene: ( γ -/γ q0 - =. t = = ( γ -/γ wc - w ( - - ( - =. t en la que "t" es la tasa de compresión con que trabajan tanto el compresor como la turbina, con lo que el pasa a ser: = = ( γ -/γ γ -/γ t - p - p MAQUINA REAL Desviaciones El ciclo real que va a recorrer la corriente de aire seco en funcionamiento real difiere, del estudiado en la máquina perfecta, en los siguientes aspectos: La compresión del aire no se realiza según isoentrópica. La cesión de calor que tiene lugar en el intercambiador de calor se produce con pérdidas de carga y con una superficie de termotransferenciat finita. it Del mismo modo que en compresor, en la turbina la transformación experimentada es una politrópica (desviación respecto a la isoentrópica. ambién para la máquina real va a considerarse que el comportamiento del aire se corresponde con el de un gas perfecto, ya que esto no introduce un error significativo en el proceso de cálculo. E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag. MAQUINA REAL Proceso de compresión MAQUINA REAL Intercambiador de calor El estado final, resultante de la compresión de la corriente de aire, puede ser caracterizado mediante la definición del rendimiento interno del compresor, el cual tiene en consideración el comportamiento real de este equipo, y cuya expresión, como en el caso de máquinas de compresión, es de: hs - h Ric = h - h con lo que la temperatura final "", con la consideración de calor específico constante, resulta ser: s - = + Ric ransferencia térmica; el intercambiador es un equipo real, de superficie finita, con lo que su eficacia está limitada, siendo esta la relación entre la potencia térmica realmente transferida y la que se produciría en caso de un intercambiador con disposición en contracorriente y superficie infinita, cuya expresión es: - E = - obsérvese que con eficacia del 00% la temperatura de salida "" es igual ala"". En segundo lugar es necesario contabilizar las pérdidas de carga que acompañan el paso de la corriente de aire por el intercambiador, provocando con ello una diferencia entre las presiones de entrada y salida, de tal manera que: = p -Δp p E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag.

5 MAQUINA REAL Proceso de expansión CICLO DE LA MAQUINA REAL De la misma manera que en la compresión, es necesario también ahora considerar un rendimiento interno en este proceso, definido como: h - h Rit = h - h y la temperaturat final resultante t será: s = - Rit. ( - s s p p θ = s p ν = = = s p (γ -/γ p Se observa que a una mayor perfección en el equipo se corresponde un descenso mas pronunciado de la temperatura de salida. s p s E. ORRELLA Pag. 7 E. ORRELLA Pag. 8 θ = DE LA MAQUINA REAL s p ν = = = s p (γ -/γ = = ( γ -/γ γ -/γ t - p - p E. ORRELLA Pag. 9 ANALISIS DEL DE LA MAQUINA REAL ν m x= θ Ri = - = ( - - ( - = Rit ( - s - ( - = = Ritθ (- - (θ - ν s - - = = (ν - Ric Ric - = Rit ( - s = Rit θ (- ν Ritθ (- - (θ - = ν ν - - Ritθ - Ric ν Ritθ (- - (θ - = ν ν - - Ritθ - Ric ν De considerar igualdad en los rendimientos correspondientes a compresor y turbina (Ric = Rit = Ri puede obtenerse, por simple derivación, el valor de "n" que hace máximo el valor del, siendo su valor: -θ (- θ Ri + - [+ Ri ( - ] Riθ ν m x = -θ (- Ri Riθ mientras que el valor del se anula para un valor de: Riθ ν = -θ (- Ri E. ORRELLA Pag. 0

6 REPRESENACION GRAFICA DEL INFLUENCIA DE LA HUMEDAD DEL = / =,7 h b h w h a 0 R i = R i =0,99 R i =0,9 R i =0,8 R i =0,7,,,,,,,,,,,,,7 E. ORRELLA Pag. a b a a b E. ORRELLA Pag. w DISPOSIIVO ANI-HIELO HONEYWELL ESQUEMA CON ANI-HIELO E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag.

7 DISPOSICIONES DE MEJORA ENERGEICA DOBLE EAPA DE COMPRESION Hasta ahora se ha limitado el estudio a la configuración mas simple de la máquina de aire, sin embargo parece conveniente completar la exposición con la exposición de una serie de ciclos alternativos que han sido propuesto con el objetivo de mejora del rendimiento. Doble etapa de compresión. Sistemas regenerativos. Doble expansión. s s p p p COMP. I INER. I ENRADA COMP. II INER. II RECINO s URBINA s E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag. DOBLE EAPA DE COMPRESION DOBLE EAPA DE COMPRESION. Características En caso de precisar niveles elevados de presión, puede utilizarse la configuración mostrada en la figura anterior, en la que el proceso de compresión tiene lugar en dos etapas, con eliminación intermedia de calor. El trabajo obtenido de la expansión en la turbina, puede utilizarse como mínimo para el accionamiento del ventilador que impulsa el aire exterior a través de los intercambiadores que se encuentran aguas abajo de los compresores. Asimismo, este trabajo puede ser utilizado en el accionamiento del compresor de la segunda etapa, accionándose ahora el conjunto de ventiladores de manera independiente. El tratamiento de cálculo es similar al descrito para el salto simple, si bien ahora en la expresión del deben considerarse el montante global de los dos compresores. E. ORRELLA Pag. 7 E. ORRELLA Pag. 8 7

8 DOBLE EXPANSION PRINCIPIO RECUPERACION s p p p COMPRESOR INER. RECINO Compresor Disipación urbina s s ENRADA URB. I s URB. II Efecto útil E. ORRELLA Pag. 9 E. ORRELLA Pag. 0 SISEMAS REGENERAIVOS. Con aire del recinto APLICACIÓN CLIMAIZACION REGENERACION Y DOBLE COMPRESION s p COMPRESOR REC CINO s p ENRADA INER. I INER. II s URBINA E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag. 8

9 SISEMAS REGENERAIVOS. Con salida de turbina COMPARACION ENRE SISEMAS (R i s p s COMPRESOR p 7 ENRADA INER. I s INER. II URBINA REC CINO 7 0, 0, 0, 0, 0, 0, CICLO SIMPLE CICLO DOBLE REGENERAIVO PB =, [atm]; PA = [atm]; PI =, [atm] FF = 0 K; EFI = 0,8; R m = 0,9 0 0, 0, 0, 0, 0,7 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9 E. ORRELLA Pag. RENDIMIENO INERNO E. ORRELLA Pag. COMPARACION ENRE SISEMAS ( d COMPARACION ENRE SISEMAS (E 0,7 0, CICLO SIMPLE CICLO DOBLE REGENERAIVO 0, 0, CICLO SIMPLE CICLO DOBLE REGENERAIVO 0, 0 0, 0, 0, PB =, [atm]; PA = [atm]; PI =, [atm] EFI = 0,8; R i = 0,9; R m = 0,9 0, EMP. FOCO DISIPACIÓN [K] E. ORRELLA Pag. 0, PB =, [atm]; PA = [atm]; PI =, [atm] FF = 0 K; R i = 0,9; R m = 0,9 0, 0, 0, 0, 0, 0,7 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9 EFICIENCIA INERCAMBIADORES E. ORRELLA Pag. 9

10 COMPARACION ENRE SISEMAS (p A MAQUINA REAL Elementos 0,7 0, CICLO SIMPLE CICLO DOBLE REGENERAIVO 0, 0, PB =, [atm]; PI = MEDIA ENRE PB Y PA FF = 0 K; EFI = 0,8; R m = 0,9; R i = 0,9 0,,,,,,,,,,, PRESION ALA [atm] E. ORRELLA Pag. 7 E. ORRELLA Pag. 8 APLICACIÓN APLICACIÓN FERROCARRIL E. ORRELLA Pag. 9 E. ORRELLA Pag. 0 0

11 APLICACIONES DOMÉSICA Y COMERCIAL ( on VEHÍCULOS MILIARES E. ORRELLA Pag. E. ORRELLA Pag. CAÑONES DE NIEVE E. ORRELLA Pag.