Aplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos

Aplicaciones industriales de la relación entre
las capacidades caloríficas de un gas y sus
procesos politrópicos
Contenidos
Planta Simple de Vapor ........................................................................................... 1
Conservación de masa y Volumen de control ......................................................... 3
Ciclos de Refrigeración por Compresión de Vapor ................................................. 6
Divergencia entre el ciclo de refrigeración real por compresión de vapor y el ciclo
ideal ......................................................................................................................... 8
Aplicaciones industriales de la entalpía de combustión ........................................ 10
La planta separadora de aire................................................................................. 10
La Máquina del Cohete ......................................................................................... 11
Ciclo Simple de Refrigeración de Compresión de Vapor ...................................... 12
La planta separadora de aire................................................................................. 13
Bibliografía ............................................................................................................ 15
Planta Simple de Vapor
La figura muestra un diagrama esquemático de un planta simple de vapor. El
vapor sobrecalentado a alta presión sale de la caldera, que es un elemento del
generador de vapor y entra a la turbina. El vapor se expande en la turbina y
mediante esto efectúa un trabajo, lo cual hace que la turbina mueva un generador
eléctrico. El vapor a baja presión sale de la turbina y entra al condensador, en
donde el calor es transmitido del vapor (haciendo que se condense) al agua de
enfriamiento. Debido a que se requieren cantidades muy grandes de agua, las
plantas de fuerza están situadas cerca de los ríos o los lagos. Cuando el agua
disponible es limitada, podrá utilizarse una torre de enfriamiento. En la torres de
enfriamiento, parte del agua se evapora, de tal modo que baja la temperatura del
agua remanente. La presión del condensado, al salir del condensador, se aumenta
por medio de una bomba que lo hace fluir dentro del generador de vapor.
En muchos generadores de vapor se utiliza un economizador. El economizador es
simplemente un cambiador de calor en el cual el calor es transmitido de los
productos de combustión al condensado, aumentando la temperatura de éste,
pero sin que se efectúa ninguna evaporación. En otras secciones del generador de
vapor se transmite el calor de los productos de combustión al agua, causando su
evaporación. La temperatura a la cual ocurre la evaporación se llama temperatura
de saturación. Entonces el vapor fluye a través de otro cambiador de calor llamado
sobrecalentador, donde la temperatura del vapor sube muy arriba de la
temperatura de saturación.
· Industria del plástico
Producción de plásticoDispositivos de mando para el transporte y la
distribución de material para fluido, accionamiento de válvulas y cierre de
silos.
Fabricación de piezas de plásticoAjuste de los rodillos de la calandra,
accionamiento de las cuchillas, dispositivos de cierre para embutición
profunda, dispositivos de soldadura y prensado, control de avance de
cintas, dispositivos de conformación, encolar, accionamiento de dispositivos
de seguridad tales como ventanas y puertas en máquinas e instalaciones,
moldeadoras, dispositivos de corte a medida.
Fabricación de piezas de gomaDispositivos de seguridad, accionamiento
de mando y de trabajo para dispositivos encadenados te transporte y de
producción, dispositivos de cierre en mezcladores e instalaciones de
vulcanización, dispositivos de control.
Conservación de masa y Volumen de control
Un volumen de control es un volumen en el espacio en el cual tenemos interés,
para un estudio en particular, o para un análisis. Se llama superficie de control a la
que rodea al volumen de control y es siempre una superficie cerrada.
El tamaño y la forma del volumen de control son completamente arbitrarios y
están delimitados como mejor conviene para el análisis que vaya a hacerse.
La superficie puede quedar fija o puede moverse o expandirse. Sin embargo, la
superficie debe definirse con relación aún sistema coordenado. En algunos
análisis puede ser conveniente considerar el sistema coordenado girando o en
movimiento y describir la superficie de control relativa al sistema.
La masa, así como el calor y el trabajo, pueden cruzar la superficie de control, y la
masa en el volumen de control, acomo las propiedades, de esta masa, también
pueden cambiar con relación al tiempo.
La figura muestra un diagrama esquemático de un volumen de control, con
transmisión de calor, trabajo en la flecha, acumulación de masa dentro del
volumen de control y limite móvil.
Consideremos primero cómo se relacionan la ley de la conservación de masa y el
volumen de control, luego, consideremos la masa que fluye hacia adentro y hacia
afuera del. Volumen de control y el incremento neto de masa dentro de dicho
volumen.
Durante un intervalo de tiempo δt hagamos que la masa δmi, entra al volumen de
control y que la masa δme salga del volumen de control. Ahora, llamemos mt a la
masa dentro del volumen de control, al principiar el intervalo de tiempo, y m t t
la masa al terminar el intervalo. Entonces, por el principio de la conservación de la
masa, podemos escribir:
ettit mmmm
Una planta de fuerza sencilla, es un ejemplo de una máquina térmica en este
sentido restringido. Cada componente en esta planta puede analizarse mediante
procesos de estado estable y de flujo estable, pero considerándolos a medida que
puedan tratarse como máquinas térmicas en donde el agua (vapor) es la sustancia
de trabajo. Una cantidad de calor QH que se transmite del cuerpo de temperatura
alta ya sea de los productos de la combustión en el hogar o de un reactor o de un
fluido secundario, que se ha calentado en el reactor. En la figura vemos
esquemáticamente que la turbina mueve a la bomba, y nos indica cuál es el
trabajo neto que se realiza durante el ciclo. La cantidad de calor QL es cedida aún
cuerpo de temperatura baja, que generalmente es el agua de enfriamiento del
condensador; de esta manera, la planta de fuerza de vapor sencilla es una
máquina térmica en el sentido estricto de la palabra, porque tiene una sustancia
de trabajo a la cual y de la cual se transmite calor y que ejecuta una cierta
cantidad de trabajo cuando está sujeta a un ciclo.
Otro ejemplo de máquina térmica es el sistema de generación de potencia
termoeléctrica ,donde se transmite calor de un cuerpo de alta temperatura a la
unión caliente (QH) y se transmite calor de la unión fría al medio circundante (QL)
.El trabajo es realizado en forma de energía eléctrica; debido a que no hay
sustancia de trabajo, no pensamos generalmente, que este sistema opere bajo un
ciclo; sin embargo, si adoptamos un punto de vista microscópico, podríamos
pensar como tal, al flujo de electrones.
Además, como en el caso de la planta de fuerza de vapor, los estados en cada
punto en el generador termoeléctrico de potencia, no cambian con el tiempo bajo
condiciones de estado estable.
Ciclos de Refrigeración por Compresión de Vapor
El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor se ve en la figura que
sigue, en el ciclo 1-2-3-4-1. Entra vapor saturado a baja presión al compresor y
sufre una compresión reversible y adiabática, 1-2. El calor es cedido a presión
constante en el proceso 2-3, y la sustancia de trabajo sale del condensador como
líquido saturado. Sigue un proceso adiabático de estrangulamiento durante 3-4,
luego, la sustancia de trabajo se evapora a presión constante durante 4-1, lo cual
completa el ciclo.
La similitud entre este ciclo y el ciclo Rankine es evidente, ya que se trata del
mismo ciclo, pero invertido, excepto que una válvula de expansión reemplaza a la
bomba. Este proceso de estrangulamiento es irreversible, mientras que el proceso
de bombeo del ciclo Rankine es reversible. La divergencia de este ciclo ideal, con
el ciclo de Carnot 1'-2'-3-4'-1' es notoria en el diagrama T - s. La razón de la
divergencia es que es mucho más conveniente tener un compresor que opere sólo
vapor y no una mezcla de líquido y de vapor, como sería necesario durante el
proceso 1'-2' del ciclo de Carnot.
Es virtualmente imposible comprimir (en una relación razonable) una mezcla tal,
como la representada por el estado l' , y mantener el equilibrio entre el líquido y el
vapor, porque ahí debe haber un calor y una masa transferida a través de los
límites de fase. Es mucho más sencillo que el proceso de expansión tenga lugar
irreversiblemente en una válvula de expansión, que lo haga en un dispositivo de
expansión, que reciba líquido saturado, y descarga una mezcla de líquido y de
vapor, como se necesitaría en el proceso 3-4'.
Por estas razones el ciclo ideal de refrigeración .por compresión de vapor es el
indicado en la figura anterior como el ciclo 1-2-3-4-1.
Divergencia entre el ciclo de refrigeración real por compresión de vapor y el
ciclo ideal
El ciclo de refrigeración real diverge del ciclo ideal, en primer lugar debido al
descenso de presión asociada con el flujo del fluido y la transmisión de calor, a, o
del medio circundante. El ciclo real puede representarse aproximadamente como
el indicado en la figura siguiente.
El vapor que entra al compresor, será probablemente sobrecalentado. Durante el
proceso de compresión hay irreversibilidades y transmisión de calor, a, o del
medio circundante, dependiendo de la temperatura del refrigerante y del medio
exterior. Por lo tanto, la entropía podría aumentar o disminuir durante este
proceso; la irreversibilidad y la transmisión de calor al refrigerante ocasionan un
incremento en la entropía y el calor transmitido del refrigerante ocasiona una
disminución en la entropía. Estas dos posibilidades están representadas por las
dos líneas punteadas 1-2 y 1-2'. La presión del líquido que sale del condensador
será menor que la presión del vapor que entra y la temperatura del refrigerante en
el condensador será algo superior que del medio exterior, a la cual el calor se
transmite entonces. Generalmente la temperatura del líquido que sale del
condensador es más baja que la temperatura de saturación y baja algo más en la
tubería entre el condensador y la válvula de expansión; esto representa, sin
embargo, un beneficio, ya que como resultado de esta transmisión de calor, el
refrigerante entra al evaporador con una entalpía baja y esto permite mayor
transmisión de calor al refrigerante en el evaporador.
Frecuentemente es necesario disponer de una fuente de aire seco, a mantener
bajo presión los cables telefónicos u otras instalaciones semejantes. La figura
muestra en esquema un dispositivo para proveer de aire seco. El aire es
comprimido a 11.6 kg f/cm2, enfriado a 21.l °C en un enfriador y en cambiador de
calor a contra flujo. Finalmente es enfriado a 1.67 °C por trasmisión de calor al
refrigerante en el evaporador del ciclo de refrigeración. El agua condensada en
estos procesos, es separada del aire y sale por un eyector automático. La mezcla
aire-vapor de agua remanente se usa como medio enfriamiento en el cambiador
de calor y su presión reducida a 1.76 kgf/cm2, a ser usada en la aplicación
programada.
Aplicaciones industriales de la entalpía de combustión
La planta separadora de aire
Un proceso de gran significado industrial es la planta separadora de aire en
el cual éste es separado en sus componentes. El oxígeno, nitrógeno, argón y
gases raros se usan ampliamente en varias aplicaciones industriales, de
investigación, de pruebas especiales y de bienes de consumo. La planta
separadora de aire puede considerarse como un ejemplo de dos grande campos:
la industria de procesos químicos y el campo de criogénica.
La refrigeración básica en el proceso de licuefacción es proporcionada por
procedimientos diferentes. Uno consiste en la expansión del aire en una máquina.
Durante este proceso, el aire produce trabajo y, como resultado, se reduce la
temperatura. El otro procedimiento consiste en pasar el aire por una válvula de
estrangulamiento, proyectada y situada para que haya un descenso substancial en
su temperatura.
El aire seco a alta presión entra aun cambiador de calor. La temperatura
desciende su paso por el cambiador. En un punto intermedio del cambiador, parte
del aire es extraído para que fluya a través de la máquina de expansión. El aire
remanente pasa por el resto del cambiador de calor a través de la válvula de
estrangulamiento. Las dos corrientes vuelven a juntarse a una presión de 5 a 10
atmósferas y entran a una columna de destilación llamada la columna de alta
presión. La función de la columna de destilación es separar el aire en sus varios
componentes, principalmente el oxígeno y nitrógeno. Dos corrientes de
composiciones diferentes fluyen de la columna de alta presión a la columna
superior, pasado por las válvulas de estrangulamiento. Una de ellas es líquido
abundante de oxígeno que sale del fondo de la columna más baja, y la otra
corriente, abundante en nitrógeno, fluye a través del subenfriador. La separación
se completa en la columna superior.
La Máquina del Cohete
El advenimiento de proyectiles y satélites ha traído a un lugar preponderante la
máquina del cohete como una planta de energía propulsora. Las máquinas de los
cohetes pueden clasificarse como de propelente líquido, o bien, de propelente
sólido, según el combustible utilizado. Este ha sido usado con mucho éxito en
impulso inicial de aviones ayudados en propulsión a chorro, en proyectiles
militares y en vehículos espaciales. Estos cohetes son más simples, tanto en el
equipo básico requerido para su operación, como en los problemas que
lógicamente lleva involucrado su uso para el servicio militar.
Algunas plantas de fuerzas tales como la planta de vapor simple que hemos
considerado muchas veces, operan en un ciclo; esto es, la sustancia de trabajo
sufre una serie de procesos y finalmente regresa a su estado inicial. En otras
plantas de fuerza como las máquinas de combustión interna y las turbinas de gas,
las substancias de trabajo, no es sometida a un ciclo.
Ciclo Simple de Refrigeración de Compresión de Vapor
El refrigerante entra al compresor como un vapor ligeramente sobrecalentado a
baja presión. Sale del compresor y entra al condensador como vapor a presión
ligeramente elevada; Allí se condensa como resultado de la transmisión de calor al
agua de enfriamiento o al ambiente exterior. El refrigerante entonces sale del
condensador como líquido a alta presión. La presión del líquido decrece al fluir a
través de la válvula de expansión y, como resultado, parte del líquido
inmediatamente se vuelve vapor. El líquido restante, ahora a presión baja, se
evapora en el evaporador como resultado de la transmisión de calor del espacio
refrigerado. Entonces, este vapor entra al compresor.
La planta separadora de aire
Un proceso de gran significado industrial es la planta separadora de aire en el cual
éste es separado en sus componentes. El oxígeno, nitrógeno, argón y gases raros
se usan ampliamente en varias aplicaciones industriales, de investigación, de
pruebas especiales y de bienes de consumo. La planta separadora de aire puede
considerarse como un ejemplo de dos grande campos: la industria de procesos
químicos y el campo de criogénica.
La refrigeración básica en el proceso de licuefacción es proporcionada por
procedimientos diferentes. Uno consiste en la expansión del aire en una máquina.
Durante este proceso, el aire produce trabajo y, como resultado, se reduce la
temperatura. El otro procedimiento consiste en pasar el aire por una válvula de
estrangulamiento, proyectada y situada para que haya un descenso substancial en
su temperatura.
El aire seco a alta presión entra aun cambiador de calor. La temperatura
desciende su paso por el cambiador. En un punto intermedio del cambiador, parte
del aire es extraído para que fluya a través de la máquina de expansión. El aire
remanente pasa por el resto del cambiador de calor a través de la válvula de
estrangulamiento. Las dos corrientes vuelven a juntarse a una presión de 5 a 10
atmósferas y entran a una columna de destilación llamada la columna de alta
presión. La función de la columna de destilación es separar el aire en sus varios
componentes, principalmente el oxígeno y nitrógeno. Dos corrientes de
composiciones diferentes fluyen de la columna de alta presión a la columna
superior, pasado por las válvulas de estrangulamiento. Una de ellas es líquido
abundante de oxígeno que sale del fondo de la columna más baja, y la otra
corriente, abundante en nitrógeno, fluye a través del subenfriador. La separación
se completa en la columna superior.
Bibliografía
Garzón G. Guillermo, “Fundamentos de Química General”, Segunda
Edición, Editorial: Mc Graw Hill, México D.F., 1986, Pag: 244 - 245
GORDON J. VAN WYLEN Y RICHARD E. SONNTAG Fundamentos de
TERMODINÁMICA”, Primera Edición, Editorial: Limusa, S.A. México,1967.
Páginas: 39-41, 125-126, 200-201.
MARON Y PRUTTON, “Fundamentos de FISICOQUÍMICA”, Editorial:
Noriega Limusa, México, D.F., 1990 Páginas: 237-238,239-243,245.252-
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Whittaker Roland M, “Química General” Editorial: C.E.C.S.A., México,
D.F., 1984, Página: 150 - 151
Autor: Ing. Iván Escalona

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Escalona Moreno Ivan. (2006, enero 7). Aplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos. Recuperado de https://www.gestiopolis.com/aplicaciones-relacion-capacidades-calorificas-gas-procesos-politropicos/
Escalona Moreno, Ivan. "Aplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos". GestioPolis. 7 enero 2006. Web. <https://www.gestiopolis.com/aplicaciones-relacion-capacidades-calorificas-gas-procesos-politropicos/>.
Escalona Moreno, Ivan. "Aplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos". GestioPolis. enero 7, 2006. Consultado el 19 de Septiembre de 2018. https://www.gestiopolis.com/aplicaciones-relacion-capacidades-calorificas-gas-procesos-politropicos/.
Escalona Moreno, Ivan. Aplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos [en línea]. <https://www.gestiopolis.com/aplicaciones-relacion-capacidades-calorificas-gas-procesos-politropicos/> [Citado el 19 de Septiembre de 2018].
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