Aplicaciones Industriales de la Relación entre las Capacidades Caloríficas

1. Planta Simple de
   Vapor
2. Conservación de masa y
   Volumen de control
3. Ciclos de Refrigeración
   por Compresión de Vapor
4. Divergencia entre el ciclo de
   refrigeración real por compresión de vapor y el
   ciclo ideal
5. Aplicaciones industriales de la
   entalpía de combustión
6. Ciclo Simple de
   Refrigeración de Compresión de
   Vapor
7. La planta separadora de
   aire

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 efetúa 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 aun 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
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
+δt 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 aun 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 ala 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 un
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. La 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
válvula 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, la substancias de trabajo, no es sometida a
una 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 un 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.

La 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
válvula 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
General" Editorial: C.E.C.S.A., México, D.F.,
1984, Página: 150 – 151

Otras Publicaciones del autor

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específico, también la edad, si no los indicas en
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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