4.1 Maquinas Térmicas y refigeradores

Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas

a todas mediante (Fig. 6-9):

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de

petróleo, reactor nuclear, etcétera).

2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de

una flecha rotatoria).

3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura

(la atmósfera, los ríos, etcétera).

4. Operan en un ciclo.

Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren

un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo.

Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.

El esquema de una central eléctrica de vapor se muestra en la figura 6-10. Éste es un diagrama bastante simplificado y el análisis de la central eléctrica de vapor real se da en capítulos posteriores. Las distintas cantidades mostradas en esta figura son:

entrada = cantidad de calor suministrada al

salida =cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia

un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)

Wsalida = cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en

una turbina

Wentrada = cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión

de la caldera

La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total.

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.

Los refrigeradores, como las bombas de calor, son dispositivos cíclicos.

El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denomina refrigerante.

El ciclo de refrigeración que se utiliza con mayor frecuencia es el

d g a m s a , en el que intervienen cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, como se ilustra en la figura 6-19.

En un refrigerador doméstico, el compartimiento del congelador donde el refrigerante absorbe calor sirve como evaporador, mientras que el serpentín situado comúnmente detrás del refrigerador, donde el calor se disipa hacia el aire de la cocina, sirve como condensador.

El esquema de un refrigerador se muestra en la figura 6-20. Aquí, es la magnitud del calor eliminado del espacio refrigerado a temperatura T , H es la magnitud del calor rechazado hacia el medio caliente a temperatura TH y Wneto,entrada es la entrada de trabajo neto al refrigerador. Como se explicó, y H representan magnitudes, por lo tanto son cantidades positivas.

Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COP_R) según el mismo principio que para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Q_in que se extrae del foco frío y “lo que cuesta” el trabajo W_in necesario para ello

A diferencia del rendimiento de una máquina térmica, el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad (normalmente lo es, de hecho).

Dado que refrigeradores y bombas de calor operan en ciclos, el coeficiente de desempeño puede definirse en términos de los flujos de calor y trabajo

donde cada flujo se calcula dividiendo el calor o trabajo intercambiados en un ciclo dividido por el periodo de éste.

En el diseño de refrigeradores se suele usar como unidad la frigoría (fg), definida como 1 kcal (= 4186 J) de calor extraído. También, como unidad de potencia, se usa la frigoría/hora (fg/h), llamada erróneamente como frigoría a secas, que nos da el flujo de calor extraído.