5 Wc: trabajo aportado al compresor.
Describiendo la figura, se distinguen los siguientes procesos:
1 1-2: Compresión adiabática: el fluido llega al compresor en estado vapor saturado, a diferencia del ciclo de Carnot, en el que el fluido llegaba al compresor parte líquido parte vapor. Gracias al trabajo aplicado al compresor, se eleva la presión del sistema sin intercambio de calor. A la vez se aumenta la temperatura por encima de la temperatura del foco caliente Tc, hecho que no ocurría en el ciclo de Carnot.
2 2-3: Condensación isobárica: el fluido llega al condensador como vapor saturado, donde primero ha de enfriarse hasta la temperatura del foco caliente, y luego cambia de estado vapor a líquido, cediendo la cantidad de calor Qc al foco caliente. Durante este proceso la presión se mantiene constante.
3 3-4: Expansión isoentálpica: el fluido en forma líquida llega a la válvula de expansión, donde disminuye su presión y su temperatura hasta la temperatura del foco frío Ta. Durante este proceso, parte del fluido cambia a estado gaseoso. A diferencia del ciclo de Carnot, se ha sustituido la turbina por una válvula de expansión, ya que el trabajo obtenido por una turbina es mucho menor que el necesario en el compresor, siendo más económico instalar dicha válvula, aunque no se aproveche el trabajo.
4 4-1: Evaporación isobárica: el fluido entra en el evaporador parcialmente evaporado, procurando que la mayor parte sea líquido. De esta forma se asegura que el fluido tome la mayor cantidad posible de calor Qa del foco frío. Este proceso se produce a temperatura y presión constantes.
Aplicación práctica
Los equipos de aire acondicionado más simples están formados por una unidad exterior y una o varias unidades interiores. Estos equipos trabajan según el ciclo de refrigeración por compresión. En este tipo de equipos, ¿qué elementos irán en el interior y en el exterior?
SOLUCIÓN
Generalmente, la unidad exterior incluye el compresor, el condensador y la válvula de expansión. El evaporador se encontrará en la unidad interior.
Ciclo de Joule-Brayton
A diferencia del ciclo de Carnot, en este ciclo el fluido caloportador utilizado es aire. Las diferentes etapas del ciclo teórico se describen en la siguiente figura:
Siendo:
1 Tc: temperatura del foco caliente.
2 Tf: temperatura del foco frío.
3 Qc: calor cedido al foco caliente.
4 Qf: calor cedido al foco frío.
5 Wc: trabajo aportado al compresor.
Analizando la figura, se pueden distinguir los siguientes procesos termodinámicos:
1 1-2: Compresión adiabática: el aire se comprime mediante un compresor, debiendo aportar energía externa al sistema para el funcionamiento de este. Esta compresión es un proceso isoentrópico en el que el aire se calienta.
2 2-3: Enfriamiento isobárico: en este proceso el aire se enfría, cediendo calor al foco caliente. La presión del aire permanecerá constante.
3 3-4: Expansión adiabática: el aire proveniente del cambiador de calor se expande, ya sea en una máquina de pistón o en una turbina. El trabajo realizado en dicha máquina puede ser aprovechado. Este proceso se realiza sin intercambio de calor.
4 4-1: Calentamiento isobárico: el aire a baja temperatura absorbe calor del foco frío. Dicho proceso se realiza a presión constante.
El ciclo descrito es un ciclo ideal, ya que en la práctica el trabajo necesario para la compresión es mayor y el trabajo obtenido en la expansión es menor. Esto es debido a los rendimientos internos tanto del compresor como de la turbina o la máquina de pistón.
Recuerde
El ciclo de refrigeración por compresión utiliza un fluido compresible y el ciclo de Joule-Brayton utiliza aire.
Otros ciclos de refrigeración
Existen otros muchos ciclos de refrigeración, la mayoría basados en el ciclo de compresión de vapor, salvo sustituyendo algunos de sus procesos por otros de efectos similares. Es el caso, por ejemplo, del ciclo de absorción. Este ciclo aprovecha las propiedades de algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, como el agua, en estado vapor. Otra de las posibilidades es usar el agua como sustancia absorbente y amoníaco como sustancia absorbida. En este ciclo se sustituye la compresión mecánica por una absorción del vapor en líquido.
Siendo:
1 Tc: temperatura del foco caliente.
2 Tf: temperatura del foco frío.
3 Qc: calor cedido al foco caliente.
4 Qf: calor cedido al foco frío.
Nota
Existen numerosos ciclos de refrigeración, además de los expuestos. Algunos de ellos realizan los mismos procesos de los ciclos básicos, pero en varias etapas. Ejemplo de esto son los sistemas con compresión múltiple, en los que la compresión consta de dos o más etapas.
Actividades
4. Buscar en el entorno equipos de refrigeración (aire acondicionado, frigorífico, etc.) e intentar deducir su ciclo termodinámico.
5. ¿Sería posible el uso de placas solares para calentar el agua necesaria para el ciclo de absorción? Investigar sobre esta aplicación solar.
3. Higrometría
La higrometría es la parte de la física que se encarga de la medición de la humedad atmosférica. El aire siempre contiene una cierta cantidad de humedad, es decir, está compuesto por una mezcla de aire seco y vapor de agua. La higrometría es la característica del aire que transporta el vapor de agua.
El vapor de agua puede encontrarse en varios estados:
1 Vapor saturado: es aquel estado de vapor que no admite más evaporación, correspondiendo a cada valor de presión un valor único de temperatura. El vapor saturado puede ser húmedo o seco, según se encuentre o no parte de líquido mezclado con el vapor.
2 Vapor sobrecalentado: es aquel estado de vapor por encima de la temperatura correspondiente a vapor saturado, admitiendo más evaporación.
3 Aire saturado: aire cuyo contenido de vapor se encuentra saturado, es decir, que la presión del aire a una determinada temperatura coincide con la presión de saturación del vapor a esa misma temperatura. Si a partir de este estado se aumenta la proporción de vapor, se llegará a la condensación. En cambio, si el aire se encuentra sobrecalentado, se podrá aumentar la proporción de vapor hasta llegar a la saturación.