1. BOMBAS
Son equipos de transferencia de trabajo utilizados para impulsar líquidos .Provocan un aumento en su
contenido interno de energía ,elevando su presión ,para poder transportarlos a través de tuberías y accesorios
venciendo así la resistencia por la fricción .El líquido aumenta su temperatura aunque en muy poca cantidad
lo que hace poco perceptible este efecto en el transporte .
Esquemáticamente las bombas se representan de acuerdo a la figura y aquellas que trabajan en forma ideal
reversible, operan adiabáticamente y no presentan perdidas de calor por radiación ni efectos mecánicos, es
decir funcionan isentrópicamente .De acuerdo a la primera ley, si no hay variaciones de energía cinética ni
potencial, ni perdidas de calor, aplicando para el fluido de trabajo como sistema
En una bomba no ideal el trabajo requerido por unidad e masa de líquido fluyendo es mayor, ya que pueden
existir perdidas de calor e irreversibilidades mecánicas
Una forma de evaluar el trabajo de bomba ideal es considerar al líquido como un fluido incompresible de tal
forma que .Aplicando sobre la definición general de trabajo tenemos
Donde V es el volumen del líquido saturado a la presión de entrada.
Por otra parte, para fluidos compresibles se puede calcular la entalpia y entropía del líquido incluyendo el
coeficiente de compresibilidad volumétrica
2. En las gráficas PV y TS se observa que el funcionamiento de una bomba ideal
La eficiencia de primera ley expresa la proporción de energía conferida al líquido con respecto al trabajo aplicado
Para las bombas con motor eléctrico para impulsarlas, se puede medir la cantidad de corriente que consume el equipo a un voltaje de línea determinado y durante un
tiempo establecido
Si se compara este trabajo neto contra la potencia de placa (es decir, el valor teórico de fábrica de la potencia requerida por la bomba) se puede establecer la eficiencia
mecánica de la bomba
En la gráfica TS se compara el funcionamiento de una bomba ideal con otra no ideal siendo mayor el trabajo requerido para el primer caso (la distancia vertical entre los
puntos 1-2).
3. La eficiencia isentrópica toma en consideración las pérdidas de calor al ambiente y las irreversibilidades mecánicas internas y compara el trabajo isentrópico requerido (ideal
reversible) con el trabajo real que es mayor:
Finalmente, la eficiencia de Carnot se evalúa en términos de las temperaturas de entrada y de salida del fluido
A continuación se muestran en un diagrama de balance de energía (Diagrama de Sankey) una bomba ideal y otra irreversible con pérdidas mecánicas y de calor
Se incluye una ilustración que determina la potencia de la bomba y la temperatura de salida de un fluido no compresible .Se sugiere revisar en el Anexo 1 el mismo problema
planteado para el caso de un fluido compresible.
Ilustración. Una bomba adiabática transporta agua líquida considerada como fluido incompresible .La s condiciones de entrada son 25°C y 100kPa y un flujo de masa de 20 kg/seg
.La presión de descarga es 2000 kPa y la eficiencia de la Bomba de 0.75 .Determinar la potencia de la bomba y la temperatura del agua descargada.
T1=25°C P1= 100kPa T°=298,15°K
mf=20kg/seg P2= 2000kPa ƞB=0,75 P°= 1 bar
De las tablas de vapor
h1= 104,70684 kJ/kg s1= 0,358001699 kJ/K.kg v1=1,004638353 〖cm〗^3/g
Evaluando el trabajo ideal de bomba para un fluido incompresible
Ws = mf.V1.(P2-P1) Ws=38,176kJ/s
4. Por la eficiencia W := Ws/ƞB W = 50,902 kJ/s
h2:=h1 + W/mf h2= 107,252 kJ/kg
De las tablas de vapor para el agua líquida saturada a las condiciones de h2
T2 := 25,565°C s2 :=0,375 kJ/kg.°K
Evaluando el cambio de temperatura del fluido y las pérdidas de calor
∆T∶=T2-T1 ∆T=0,565°C
Qperd := Ws-W Qperd = -12,725 kW
Finalmente:
∆Sbomba∶=mf.(s2-s1) ∆Sbomba=0,34 kW/°K
∆Salred= |Qperd|/(T°) ∆Salred=0,043 kW/°K
Sgen = ∆Sbomba+ ∆Salred Sgen = 0,383 kW/°K
Xdestr := -°T.Sgen Xdestr = -114,086kW
COMPRESORES:
Los compresores son equipos de transferencia de trabajo cuya finalidad es conferirle al fluido, generalmente
un gas o un vapor, un aumento en su contenido interno de energía ya sea para transportarlo o utilizarlo en una
etapa posterior del proceso industrial .Este aumento energético se ve directamente reflejado en el aumento de
la presión y temperatura y disminución del volumen .De allí su nombre
Esquemáticamente los compresores se representan de acuerdo a la figura y aquellos que trabajan en forma
ideal reversible tampoco tienen perdidas de calor por radiación ni efectos mecánicos o sea operan
adiabáticamente .De acuerdo a la primera ley, si no hay variaciones de energía cinética ni potencial, ni
perdidas de calor aplicando para el fluido de trabajo como sistema
5. En un compresor no ideal el trabajo requerido por unidad de masa fluyendo es mayor ya que existen perdidas de calor
La eficiencia de primera ley expresa la proporción de energía conferida al fluido trabajo con respecto al trabajo requerido
La eficiencia isentrópica toma en consideración las pérdidas de calor al ambiente y compara el trabajo isentrópico (ideal reversible) con el trabajo real que es mayor
Finalmente, la eficiencia de Carnot se evalúa en términos de las temperaturas de entrada y de salida del fluido
En una gráfica TS se observa que el trabajo requerido es mayor para el caso no ideal, expresado como la distancia vertical entre los puntos 1-2
A continuación se muestra un compresor ideal y otro irreversible con pérdidas mecánicas y de calor, en un diagrama de Sankey de balance de energía
6. Se presenta una ilustración que evalúa las eficiencias de un compresor según la primera y segunda leyes y la eficiencia teórica de Carnot.
Ilustración. En un compresor se utiliza tetrafluoroetano HFC-134a a razón de 0,07 kg/seg que entran a 3,2 bar y 20°C .El fluido es comprimido isentrópicamente hasta
80 °C y 14 bar .Determine la potencia requerida y la eficiencia isentrópica.
Además evalué la eficiencia de primera ley si se pierden 27,25 kJ/kg de energía en forma de calor y la eficiencia de Carnot.
Weje=mf.(Hsale-Hentra) mf := 0,07 kg/s
Utilizando la tabla de propiedades del refrigerante HFC/134a se obtiene la siguiente información
T1=20°C P1=3,2 bar H1= 264,95 kJ/kg S1= 0,9749 kJ/kg.K
T2= 80°C P2=14 bar H2= 307,10 kJ/kg
Entonces Weje =mf(H2-H1) Weje=2,95 kW
La eficiencia isentrópica se calcula ƞs=Wejes/(Weje )=(Hs2-H1)/(H2-H1)
En el caso de operación isentrópica S2=S1 y P2= 14bar
De la misma tabla se lee Hs2 =298,48 kJ/kg
ƞII∶=(Hs2-H1)/(H2-H1) ƞII=79,55%
Ws_eje= ƞII.Weje Ws_eje = 2,35 kW
Para evaluar la eficiencia de primera ley, si Qperdidas = 27,25 kJ/kg
Weje= mf. [(H2-H1) + Qperdidas] Weje =4,86 kW
ƞI=(mf.(H2-H1))/Weje ƞI=60,73%
La eficiencia de Carnot ƞCanot=1-(20+273.15)/(80+273.15) ƞCanot=16,99%
