termodinamica

1. Facultad de Ingeniería Mecánica
“Año de la Promoción de la Industria Responsable y Compromiso Climático”
TEMA : TRABAJO DE INVESTIGACION DE TERMODINAMICA
CATEDRA : TERMODINÁMICA I
Catedrático : Ing. SERGIO CARDENAS
Alumno : Poma Gutiérrez, Jorge
Semestre : V
Huancayo – Perú
2014
TERMODINAMICA I UNCP

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1. Determine el coeficiente de performance del ciclo de Carnot inverso
La efectividad de una bomba de calor es descrita en términos de una magnitud denominada
coeficiente de desempeño.
El coeficiente de desempeño (COP por sus siglas en inglés) es un concepto similar a la de la
eficiencia térmica de un motor térmico, el número es un radio entre dos valores. Uno de los
valores representa lo que se gana en comparación del otro valor que es lo que se invierte.
Para una bomba de calor operando en el modo de congelador, lo que se gana es el calor que se
remueve del reservorio frio, y lo que se invierte es el trabajo que se realiza sobre el motor para
realizar esa labor. El refrigerador o aire acondicionado mas efectivo es aquel que remueve la
mayor cantidad de calor con la mínima inversión de trabajo sobre el motor.
Definiremos al coeficiente de desempeño como:
Un buen refrigerador siempre tendrá un alto COP, típicamente entre 5 y 6 “recordemos que es
una magnitud adimensional”.
Las bombas de calor también pueden ser utilizadas en un modo de calentador, son muy útiles si
deseas calentar un lugar con el calor del ambiente exterior. En tal caso el coeficiente de
desempeño se define de la siguiente forma:
La eficiencia de un refrigerador de una bomba de calor se expresa en términos del coeficiente de
desempeño (COP). Para el refrigerador de usa la notación COPR, a manera de distinción. El
objetivo de un refrigerador es remover calor QL de un espacio deseado. Para ello necesita de un
trabajo de entrada. En el caso de la bomba de calor se usa la notación COPBC.
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2. Determinar mediante una gráfica, la variación de COP en función de la
temperatura del medioambiente exterior.
El COP de un ciclo de Carnot es función sólo de las temperaturas superior e inferior del ciclo y
aumenta en forma inversamente proporcional a la diferencia entre las temperaturas superior
e inferior. Estas conclusiones son independientes del fluido de trabajo del ciclo.
Cualquier desviación del ciclo real de los procesos ideales previstos para el ciclo de Carnot
conduce a valores del COP menores que el ideal.
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3. Cuáles son las diferencias entre una máquina de refrigeración y una bomba de
calor
MÁQUINA DE REFRIGERACIÓN
Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente
(como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para
funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de
desecho Qout que se entrega al ambiente.
Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso
habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente,
mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma
continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un
frigorífico, éste se encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).
Ambos operan sobre el mismo principio. Un compresor eleva la temperatura del fluido de trabajo
a base de realizar trabajo sobre él. El fluido, a temperatura superior a la ambiente, es puesto en
contacto con éste en uncondensador (una rejilla,p.ej.), liberando calor Qout. El fluido enfriado, pasa
por una válvula de expansión, donde su temperatura cae por debajo de la del foco frío. Puesto en
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contacto con este foco (la cámara frigorífica o la habitación) mediante otra rejilla conocida
como evaporador, absorbe calor de éste, Qin. De ahí vuelve al compresor, recomenzando el ciclo.
Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COPR) según el mismo principio que
para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Qin que se extrae del foco frío y “lo que
cuesta” el trabajo Winnecesario 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).
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BOMBA DE CALOR
Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para
pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el,
circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del ref rigerador. El compresor envía el
fluido a alta presión al un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar
a más temperatura que el ambiente. pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se
evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve
entonces al compresor, reiniciando el ciclo.
En el uso habitual, lo que hace una bomba de calor es principalmente mantener constante la
temperatura del interior de una cámara o habitación, reintroduciendo de forma continua el calor
que va escapando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto frío en una habitación, la
bomba de calor se encarga de elevar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo
adicional).
En el caso límite de una estufa (de resistencia eléctrica, por ejemplo), lo que ocurre es que no se
extrae calor del exterior y todo el calor que entra en la habitación procede del trabajo consumido.
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Para que un mismo aparato pueda funcionar como aire acondicionado en verano y bomba de calor
en invierno, es necesario un sistema de válvulas que permita que el vapor fluya en direcciones
opuestas según el uso que se le de.
En el caso de una bomba de calor “lo que se saca” es el calor Qout, por lo que el coeficiente de
desempeño de una bomba de calor se define como
De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del
refrigerador correspondiente se diferencian en 1.
y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 1. Un valor de 1
quiere decir que no se extrae ningún calor del foco frío, sino que simplemente se transforma
trabajo en calor. Esto es lo que hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.
Para una bomba de calor real el COP puede ser de 4. Esto quiere decir que para aportar 4 J de
calor a una habitación solo consume 1 J de energía eléctrica (mientras que una estufa consumiría
los 4 J). Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción, pero
requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura
exterior es demasiado baja.
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4. Cite 5 ejemplos didácticos del aprovechamiento de una bomba de calor
1) BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA (GHP)
Es un dispositivo eléctrico que incorpora un intercambiador enterrado que es el que permite que
el intercambio de calor con el suelo se realice.
Francia es un país con niveles de radiación solar altos por lo que la temperatura del suelo a
profundidades mayores de 5 m es relativamente alta (alrededor de los 15°C), y se mantiene
estable a lo largo del año de manera independiente al paso de las estaciones. El sistema puede
transferir calor desde la fuente de 15°C a otra de 50°C, para utilizar este calor en calefacción y en
la producción de agua caliente sanitaria. Para ello necesita un sistema de captación de ese calor y
una bomba de calor geotérmica.
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2) BOMBAS DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA
En una bomba de calor el refrigerante recibe calor en el evaporador, y lo cede, junto con el trabajo
del compresor, en el condensador. En el evaporador, la bomba de calor recibe calor de un medio o
recinto a enfriar.
Este calor evapora el refrigerante, el cual es comprimido a continuación por el compresor hasta
una presión que permita la condensación a la temperatura a la cual interesa producir el calor. El
compresor habitualmente es accionado por un motor eléctrico.
El mérito de la bomba de calor reside en transferir tanto calor como es posible con un mínimo
gasto de trabajo en el compresor
Ejemplo:
Secado de embutidos
El proceso de secado consiste en eliminar por evaporación el exceso de agua que contiene un
producto.
El proceso de secado de embutidos tiene lugar en dos partes: el estufado y el secado o curado.
La bomba de calor usada en este tipo de aplicaciones es del tipo de compresión de vapor con
motor eléctrico.
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3) LAS BOMBAS DE CALOR AERO TÉRMICAS
Simples de instalar, las bombas de calor Aero térmicas recuperan el calor del aire del ambiente (de
dentro y fuera de la casa) y lo adaptan a muchas situaciones.
A diferencia de las bombas de calor aire-agua convencionales, están diseñadas y construidas para
obtener la máxima energía del aire exterior en condiciones climáticas muy severas, tanto en
invierno como en verano.
El aire, un proveedor de calorías para la bomba de calor
Las instalaciones difieren según el aire usado para calentar. La bomba de calor se instala dentro o
fuera de la vivienda y toma el calor del aire exterior.
Cuando hace frío, el evaporador entra en contacto con el aire exterior. Las heladas pueden
disminuir su efectividad. Este tipo de bomba de calor está equipada con un sistema de regulación
que es periódicamente revertido por un corto período de tiempo. Esto garantiza el ciclo de
descongelación.
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4) BOMBAS DE CALOR AGUA/AGUA PARA CALEFACCIÓN Y PRODUCCIÓN DE AGUA
CALIENTE
Las bombas de calor agua/agua extraen el calor para calefacción del agua subterránea, que incluso
en medio del invierno tiene una temperatura de +7 °C a 12 °C. Combinando una bomba de calor
agua/agua de Dimplex y un sistema de calefacción a baja temperatura, se puede obtener una
instalación de calefacción con bomba de calor altamente eficaz. Para ello, es indispensable que
la calidad y la cantidad del agua del pozo disponible sean satisfactorias y además, que l as
autoridades ambientales competentes otorguen el permiso correspondiente.
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