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

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.

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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

o Producción de plástico

Dispositivos de mando para el transporte y la distribución de material para fluido, accionamiento de válvulas y cierre de silos.

         o Fabricación de piezas de plástico

Ajuste 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.

o Fabricación de piezas de goma

Dispositivos 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, así como 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 δmesalga del volumen de control. Ahora, llamemos mta la masa dentro del volumen de control, al principiar el intervalo de tiempo, y m tt  la masa al terminar el intervalo. Entonces, por el principio de la conservación de la masa, podemos escribir:

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,
  • 245.252-253.
  • Whittaker Roland M, Química GeneralEditorial: C.E.C.S.A., México, D.F.,  1984, Página: 150 – 151

Autor Ing. Iván Escalona

Consultor Logística,  Teléfono Movil: 044 55 18 25 40 61 (México)

Ingeniero Industrial

resnick_halliday@yahoo.com.mx, ivan_escalona@hotmail.com

Nota: Si deseas agregar un comentario o si tienes alguna duda o queja sobre algún(os) trabajo(s) publicado(s), puedes escribirme a los correos que se indican, indicándome que trabajo fue el que revisaste escribiendo el título del trabajo(s), también de donde eres y a que te dedicas (si estudias, o trabajas) Siendo específico, también la edad, si no los indicas en el mail, borraré el correo y no podré ayudarte, gracias.

– Estudios Universitarios: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas (U.P.I.I.C.S.A.) del Instituto Politécnico Nacional (I.P.N.)

– Centro Escolar Patoyac, (Incorporado a la UNAM)

Origen: México

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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 12 de Octubre de 2019. 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 12 de Octubre de 2019].
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