UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFacultad de Ingeniería Laboratorio de termodinámica

EFICIENCIA DE UNA MAQUINA TÉRMICABOMBA DE CALOR

Aspectos teóricos que ayuden a la comprensión del tema y la relevancia de su estudio

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Consideremos dos enunciados importantes:Kelvin-Planck: que se relaciona con las máquinas térmicas.Clausius: que se relaciona refrigeradores o bombas de calor.

CLAUSIUS:Una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura, así

como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando.

KELVIN-PLANCK:Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100% o bien: el fluido de

trabajo debe intercambiar calor con el ambiente, así como con el horno.

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¿Qué es una máquina térmica y una bomba de calor?

Máquina Térmica: dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza ciertacantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo atemperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura.

El mejor ejemplo son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar ocalentar un entorno.

Es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente através de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidadsignificativamente al atravesar la máquina.

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Bomba de calor.

Dispositivo mecánico que transporta energíatérmica de una región a baja temperatura a unaregión a temperatura mayor.

La temperatura exterior es Tf y la energía térmicaabsorbida por el fluido circulante es Qf.

La bomba de calor realiza un trabajo W sobre elfluido, y la energía térmica transferida de la bombade calor hacia el interior del edificio es Qc.

Fig. 1

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El Ciclo de Refrigeración – ¿Cómo Funciona?

Componentes básicos y principales de los que está compuesto:

• Compresor

• Condensador

• Válvula de expansión

• Evaporador

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CompresorSu función es aspirar el vapor del evaporador y ayudarlo a entrar en el condensador.Este trabajo lo consigue mediante la aportación de una energía exterior, como es la electricidad.

CondensadorSu misión es extraerle el calor al refrigerante. Este calor, en principio, es la suma del calor absorbido por elevaporador y el producido por el trabajo de compresión.

Válvula de expansiónProporciona la diferencia de presión establecida entre los lados de alta y de baja presión del circuito derefrigeración. La forma más simple para lograrlo es mediante un tubo capilar entre el condensador y elevaporador, de manera que este le produzca una pérdida de carga al refrigerante.

EvaporadorEs un intercambiador de calor que, por sus necesidades caloríficas, absorbe calor del medio en el que seencuentra, con lo cual lo enfría.

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Fig. 2

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Fig. 3

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Fig. 4

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Depósitos de energía térmica.Hipotéticamente, un cuerpo que posea una capacidad deenergía térmica relativamente grande (masa x calorespecífico) que pueda suministrar o absorber cantidadesfinitas de calor sin experimentar ningún cambio detemperatura, se llama depósito de energía térmica, o sólodepósito.

Un depósito que suministra energía en la forma de calorse llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma decalor se llama sumidero.

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Máquinas térmicas.El trabajo se puede convertir en otras formas deenergía, pero convertir energía en trabajo no es fácil.

El trabajo mecánico que realiza la flecha se convierteprimero en energía interna del agua, energía que puedesalir del agua como calor.

Revertir el proceso fallará, es decir, transferir calor alagua no causa que la flecha gire.

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Para convertir calor en trabajo en:

Máquinas térmicas.

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta: energíasolar, horno de petróleo, reactor nuclear, etc.

2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo generalen la forma de una flecha rotatoria).

3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero decalor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera).

4. Operan en un ciclo.

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CENTRAL ELÉCTRICA DE VAPOR

1. Qentrada = calor suministrado al vapor en una calderadesde una fuente de temperatura alta (horno)

2. Qsalida = cantidad de calor rechazado del vapor en elcondensador hacia un sumidero de temperatura baja(atmósfera, río, etcétera)

3. Wsalida = cantidad de trabajo que entrega el vaporcuando se expande en una turbina

4. Wentrada = cantidad de trabajo requerida paracomprimir agua a la presión de la caldera

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Wneto,salida = Wsalida - Wentrada (kJ)

En un sistema cerrado que experimente un ciclo, elcambio de energía internaΔU = 0 y, en consecuencia:

Wneto,salida = Qentrada - Qsalida (kJ)

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Eficiencia térmica.Qsalida = Energía que se desperdicia para completar el ciclo.

Qsalida nunca es cero; la salida neta de trabajo de una máquina térmica es siempre menor quela cantidad de entrada de calor.

Sólo parte del calor transferido a la máquina térmica se convierte en trabajo.

La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medidadel desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica ȵter.

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Wneto,salida = Qentrada – Qsalida

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La eficiencia térmica:Es una medida de qué tan eficientemente una máquina térmicaconvierte el calor que recibe en trabajo.

Las eficiencias térmicas de dispositivos que producen trabajoson relativamente bajas.

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Pérdidas de eficiencia de una máquina frigorífica de compresión como bomba de calor

Fig. 5

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El más significativo es la eficacia con que el evaporador y el condensador

intercambian calor con el aire ambiente. Esta depende en gran parte del salto

térmico entre la temperatura del refrigerante y el ambiente.

El rendimiento de intercambio será mejor cuanto mayor sea esta diferencia de

temperatura. Pero, aumentarla implica aumentar la temperatura de condensación y

disminuir la de evaporación, lo cual disminuye la eficiencia.

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El rendimiento se mejora forzando el intercambio mediante ventiladores, tanto en el

evaporador como en el condensador, sin embargo, la energía consumida por los

mismos hay que añadirla a la consumida por el compresor.

La compresión del gas, sea cual sea el sistema que se utilice tiene siempre pérdidas

de calor y rozamientos que constituyen las irreversibilidades propias de todo

sistema termodinámico real.

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Cuando la temperatura de evaporación (tanto en la máquina frigorífica como en la

bomba de calor), es inferior a 0 [ºC], el vapor de agua del aire que entra en contacto

con el serpentín, se condensa y se solidifica sobre el tubo, formando una capa de hielo

que dificulta el intercambio. Esto obliga a, fundir este hielo para recuperar el

rendimiento, y la energía consumida en ella, tiene también que añadirse a la total

consumida.

El compresor es impulsado por un sistema motriz, generalmente un motor eléctrico,

cuyo rendimiento, aunque elevado, no llega al 100%.

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El movimiento del fluido por la tubería produce pérdidas de presión por rozamiento,

denominadas pérdidas de carga, que tiene que asumir el compresor y son una de las

causas para que el cambio de fase, tanto en el evaporador, como en el condensador se

desarrolle isotérmicamente.

Cuanto más baja es la temperatura de la fuente fría y más alta la de la caliente, menor

es la eficiencia, lo cual es un grave inconveniente, teniendo en cuenta que la bomba

de calor se usa como aparato de calefacción y va a tener, por tanto, menos

rendimiento cuanto más frío haga en la calle.

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Referencias:• Fig. 1. Tomada de:

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Segundo_Principio_de_la_Termodin%C3%A1mica

• Fig. 2. Tomada de: https://makinandovelez.wordpress.com/2017/11/26/diferencia-entre-maquina-frigorifica-y-bomba-de-calor/

• Fig. 3 y 4. Tomada de: https://nergiza.com/que-es-una-bomba-de-calor/

• Imágenes tomas de: Yunus A. Çengel & Michael A. Boles (1995). Termodinámica. McGraw-Hill. ISBN 970-10-0909-6

• Fig. 5. Tomada de: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SectoresMaquinaFrio.png

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Elaborado por:Q. Miguel Ángel Reyes Bustamante

Revisado por:Jefe de Academia de Termodinámica:

Ing. Martín Bárcenas EscobarJefa de Academia de Laboratorios:Q. Antonia del Carmen Pérez León

Jefa de Departamento de Física y Química:Q. Esther Flores Cruz

Responsable de Laboratorio de Termodinámica:Ing. Alejandro Rojas Tapia

Profesores:M. en I. Abraham Martínez Bautista

M. en I. Omar de Jesús PérezI.Q. Miriam Arenas Sáenz

Ing. Ma. Guadalupe Pérez HernándezAyudante de profesor:

Miriam del Carmen Medina López