Torre de enfriamiento

En multitud de procesos industriales es necesario refrigerar determinados sistemas o elementos. Como fluido refrigerante se suele utilizar agua, proveniente de recursos naturales (lagos o ríos) o de depósitos de almacenamiento construidos para ese fin.

En un caso o en otro se debe enfriar el agua caliente, que sale del sistema a refrigerar, para, respectivamente, evitar contaminación térmica o poder volver a utilizar el agua de nuevo. Para enfriar el agua se utilizan las llamadas torres de enfriamiento.

Fig1 Torre de enfriamiento tiro inducido

En una torre de enfriamiento se hace interaccionar una corriente de aire con el agua a enfriar (finamente pulverizada para favorecer el contacto). En este proceso una pequeña cantidad de agua se evapora, suministrando parte de la energía necesaria para su evaporación el resto del agua, que de esta manera disminuye su temperatura. El esquema de una torre de enfriamiento se puede ver en la (fig. 1) y (fig.2).

Para lograr aumentar la superficie de contacto del agua y el aire se suele disponer de algún elemento (láminas o tubos) que logran dicho efecto al gotear el agua en ellos. A dichos elementos, en conjunto, se les suele denominar como relleno.

Fig.2 Esquema de Torre de enfriamiento tiro inducido

Debido a la evaporación, la cantidad de agua existente en la torre va disminuyendo con el tiempo, para evitar este efecto se necesita añadir agua desde el exterior (agua de aporte). Salida de la mezcla de aire-vapor

Las torres de enfriamiento se pueden presentar con diversas configuraciones.

Se pueden clasificar en general, atendiendo al mecanismo mediante el que se hace circular el aire en la torre, o atendiendo a la dirección en la que circulan el agua y el aire.

De acuerdo con el mecanismo por el que circula el aire en la torre, estas se clasifican en:

1. Torres de convección forzada si hay algún elemento mecánico, por ejemplo un ventilador, que obliga a circular el aire a través de la torre (fig. 1).

2. Torres de convección natural si el aire circula a través de la torre por mecanismos naturales (convección natural).

En este caso el tipo de torre más frecuente es el denominado “hiperbólico” (fig. 3).

Fig.3 Torre Parabólica de enfriamiento tiro inducido

Si se atiende a la dirección en la que circulan el agua y el aire en la torre, estas se pueden ser:

1. Torres de flujo a contracorriente si el agua y el aire circulan en la misma dirección y sentidos opuestos.

2. Torres de flujo cruzado si el agua y el aire circulan en direcciones perpendiculares.

3. Torres combinadas cuando se tiene una combinación de las anteriores.

Un esquema de los diversos tipos se puede ver en la fig.4.

Fig.4 Tipos de Torre de enfriamiento.

La elección de un tipo u otro de torre, depende del tipo de instalación (tipo de industria), cantidad de agua a enfriar y costes de instalación y mantenimiento. A continuación se exponen algunas consideraciones que dan una idea del tipo de torre a utilizar en cada caso:

Suponiendo que la torre funciona en régimen estacionario, la ecuación de conservación de la masa para el aire seco y el agua, junto con la ecuación de conservación de la energía aplicadas a la torre en su conjunto, proporcionan información de las características de su funcionamiento. Utilizando la nomenclatura de la fig.3 se tendrá:

1. Ecuación de conservación de la masa:

• Para el aire seco:

• Para el agua:

2. Ecuación de la conservación de la energía (suponiendo que las variaciones de las energías cinética y potencial son despreciables):

Teniendo en cuenta que

De la ecuación se obtiene que

En la mayoría de los casos el calor transferido con los alrededores es despreciable (𝑄) y la potencia requerida por el ˙ ventilador en las torres de convección forzada también es despreciable frente al resto de las energías (𝑊), por lo que la ecuación  se reduce a

y reordenándola se obtiene

Los valores de las entalpias del vapor de agua y del agua líquida se pueden evaluar considerando la entalpia del vapor saturado y líquido saturado, a sus temperaturas respectivas.

La humedad 𝜔 2 y 𝜔 5 se pueden evaluar utilizando la presión parcial del vapor de agua obtenida a partir de los valores de humedad relativa (que suelen ser dato).

Hay que recordar que los valores de (h𝑎5 + 𝜔 5 h 𝑣 5 ) y (h𝑎2 + 𝜔2h𝑣 2 ) se pueden calcular mediante el diagrama de Mollier, o el psicrométrico, y que la entalpia del agua líquida (h𝑙1 , h𝑙3 , h𝑙4 ) se puede calcular de las tablas de vapor.

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Mezcla Corrientes de Aire

 Mezcla adiabática de corrientes de aire

Un proceso común en sistemas de acondicionamiento de aire es la mezcla de corrientes de aire

húmedo, tal como se muestra en la Fig. El objetivo del análisis termodinámico es, habitualmente,

fijar el caudal y el estado de la corriente de salida para unos determinados caudales y estados de las

dos corrientes de entrada. Los balances de masa del aire seco y del vapor de agua y de energía en

estado estacionario son.

Fig. Mezcla de corrientes de aire húmedo

Ejemplo:

250 m3/min de aire saturado que sale de la sección de enfriamiento de un sistema de aire acondicionado a 15 C y 70 % de humedad relativa, se mezcla adiabáticamente con 120 m3/min de aire exterior a 40 C y 40 % relativa de húmeda. Suponga que el proceso de mezcla sucede a una presión de 1 atmósfera, y determine la humedad especifica, la humedad relativa, la temperatura de bulbo seco y el flujo de la mezcla.

Para el punto 1 con 15 C y 70% de humedad relativa, de la carta psicrométrica se tiene.

Para el punto 2 con 40 C y 40% de humedad relativa, de la carta psicrométrica se tiene.

Flujo en masa de aire seco de cada corriente.

Humedad específica de la mezcla  ⍵3

Entalpía de la mezcla h3.

Con estas dos propiedades se fija el punto de la mezcla y las además propiedades se determinan de la carta psicrométrica.

El volumen de la mezcla se encuentra por:

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Introducción a la Dinámica de Gases

Fundamentos de Dinámica de Gases 

En los confines de la ingeniería aeroespacial y la propulsión, existe un mundo fascinante donde las corrientes de gases se convierten en poderosas fuerzas que impulsan aviones, cohetes y turbinas a velocidades increíbles. La comprensión de la dinámica de gases es el cimiento sobre el cual se erigen innovaciones cruciales, como las toberas, los difusores y los álabes de rotores, que alimentan la eficiencia y el rendimiento de motores de reacción, compresores y turbinas. En este blog, nos adentraremos en el intrincado laberinto de la dinámica de gases y exploraremos la función vital de cada componente en la creación y manipulación de flujos de energía.

                                      Fig. Velocidad en m/s de flujo en tobera Delaval

1. Toberas: Conduciendo la Fuerza Propulsora

Las toberas son como las puertas de salida para los gases calientes y de alta velocidad generados en los motores de reacción. Estas estructuras cónicas permiten que los gases se expandan adiabáticamente y aumenten su velocidad, transformando la energía térmica en energía cinética. En el caso de cohetes y motores aeronáuticos, las toberas son cruciales para la generación de empuje que propulsa las naves al espacio o a través de la atmósfera terrestre.

                                               Fig. Motores de reacción Saturno V

2. Difusores: Desacelerando para Ganar Energía

Los difusores trabajan en la dirección opuesta a las toberas. Son componentes diseñados para disminuir la velocidad de los gases, aumentar su presión y recuperar parte de la energía cinética que estos gases llevan consigo. En motores de reacción y turbinas, los difusores permiten que los gases se desaceleren antes de ingresar a los álabes de los rotores, maximizando la eficiencia de la conversión de energía.

3. Álabes de Rotores: Capturando la Energía Cinética

Los álabes de los rotores son como las aspas de un molino en el mundo de la propulsión. Estas estructuras curvas y aerodinámicas se encuentran en el interior de los motores de reacción y turbinas, y son responsables de capturar la energía cinética de los gases en movimiento y convertirla en energía mecánica. Esta energía mecánica puede utilizarse para impulsar compresores, generar electricidad o proporcionar impulso a una nave.

                               Fig. Alabes Turbina de Gas zona de alta temperatura

En este blog, nos sumergiremos en los fundamentos de la dinámica de gases aplicados a las toberas, los difusores y los álabes de rotores en motores de reacción, compresores y turbinas. Exploraremos cómo cada uno de estos componentes juega un papel crucial en la manipulación de flujos de gases para crear empuje, generar energía y mejorar la eficiencia de las máquinas que impulsan nuestra búsqueda por los cielos y el espacio. Desde las toberas que desatan el poder propulsor hasta los álabes que capturan la energía, este viaje nos llevará a través de los conceptos esenciales que impulsan la tecnología aeroespacial y la propulsión moderna.

Fig. Transbordador

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Partes Principales de Refrigeradores y Bombas de calor

Partes Esenciales de Refrigeradores y Bombas de Calor

En la cotidianidad moderna, los refrigeradores y las bombas de calor son piezas clave que dan vida a nuestra comodidad y eficiencia en diversos ámbitos, desde la preservación de alimentos hasta la climatización de espacios. Sin embargo, detrás de su aparente simplicidad, se esconde un intrincado sistema compuesto por diversas partes fundamentales. En este blog, nos adentraremos en el corazón de estas máquinas para descubrir las partes esenciales que trabajan en armonía para mantener el frío y el calor a nuestro servicio. Desde los compresores hasta los evaporadores, cada componente desempeña un papel vital en este proceso termodinámico, y desentrañar su función es clave para comprender el funcionamiento de estas tecnologías fundamentales.

1. Compresor: Impulsando el Flujo Energético

                                                       Video Compresor Scroll Mitsubishi

El compresor actúa como el motor del sistema, ejerciendo la fuerza necesaria para comprimir el gas refrigerante y aumentar su temperatura. Este gas de alta presión y temperatura viaja luego hacia el condensador, donde liberará el calor absorbido en la fase anterior. El compresor es el corazón de la operación, proporcionando la energía necesaria para el ciclo termodinámico y asegurando que el proceso continúe de manera fluida.

                                               Video Tipos de Compresores de Refrigeración

2. Condensador: Disipando el Calor

El condensador es la parte encargada de liberar el calor absorbido por el refrigerante. Aquí, el gas refrigerante cede su energía térmica al entorno, enfriándose y condensándose en líquido de alta presión. Este proceso es vital para que el refrigerante esté listo para entrar en la siguiente etapa del ciclo, y garantiza que el calor no se acumule en el sistema.

                                        Fig. Diagrama P-h proceso de condensación

            Fig. (a) Condensador convección libre                      (b) Condensador convección forzada    

                                                Fig.  Unidad Condensadora enfriada por aire

                                     Fig. Condensador de casco y tubos enfriado por agua

3. Válvula de Expansión: Controlando el Flujo

La válvula de expansión regula el flujo del refrigerante, permitiendo que pase del condensador al evaporador. Aquí, el refrigerante se expande rápidamente y disminuye su presión, lo que provoca una absorción de calor del entorno circundante, enfriándolo. Esta parte es esencial para mantener el ciclo de refrigeración y bomba de calor en marcha, ya que controla el flujo y la presión del refrigerante.

                                                 Fig. Válvula Termostática de Expansión

4. Evaporador: Absorbiendo el Calor

El evaporador es el encargado de absorber el calor del entorno que se desea enfriar. Cuando el refrigerante entra en el evaporador, su baja presión y temperatura permiten que absorba el calor de su alrededor, enfriando el aire o el entorno circundante. Este proceso se repite en un ciclo continuo para mantener temperaturas bajas y crear un ambiente confortable.

                                           Fig. Diagrama P-h proceso de evaporación

                                                Fig. Evaporador enfriado por aire

        

                      Fig. Evaporadores de placa empleado en congelamiento por contacto

                                 Fig. Evaporadores de casco y tubos empleado en enfriamiento de agua

                                   Video: Intercambiadores de Calor tipo Casco y tubos

En este blog, exploraremos cada una de estas partes esenciales en profundidad, desglosando sus funciones y destacando su importancia en el funcionamiento de los refrigeradores y las bombas de calor. Desde el impulso inicial del compresor hasta la absorción final de calor en el evaporador, cada componente trabaja en conjunto para brindarnos el confort y la eficiencia que hoy damos por sentado.

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Refrigeración Termodinámica

Enfriando el Futuro: Termodinámica en Refrigeradores y Bombas de Calor

En un mundo donde la demanda de confort y producción industrial sigue en constante aumento, la aplicación de principios termodinámicos en la tecnología de refrigeración y bombas de calor se alza como un pilar fundamental para la eficiencia energética y la sostenibilidad ambiental. Estas máquinas ingeniosas no solo han revolucionado la forma en que vivimos y trabajamos, sino que también tienen un impacto directo en el equilibrio ecológico del planeta.

Desde la refrigeración industrial que preserva nuestros alimentos y productos perecederos, hasta el acondicionamiento de aire que proporciona climas cómodos en los días más calurosos, la termodinámica ha trazado el camino hacia sistemas de refrigeración más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. En este blog, exploraremos en detalle cómo los principios termodinámicos dan vida a los refrigeradores y bombas de calor, optimizando su funcionamiento y maximizando su contribución a la sostenibilidad.

Adentrándonos en el mundo de la refrigeración industrial, descubriremos cómo la comprensión de los ciclos termodinámicos ha permitido el desarrollo de sistemas que mantienen los alimentos frescos durante el transporte y el almacenamiento, reduciendo las pérdidas y minimizando el desperdicio. Pero no solo se trata de preservar productos; la termodinámica también ha impulsado la eficiencia en la producción industrial al controlar temperaturas críticas en diversos procesos, optimizando así el rendimiento y disminuyendo el consumo energético.

                                                Fig. Enfriador de agua con compresor de tornillo

El acondicionamiento de aire, por otro lado, ha revolucionado la forma en que experimentamos los espacios interiores. Gracias a los avances termodinámicos, los sistemas de aire acondicionado pueden mantener ambientes confortables en cualquier época del año, adaptándose a las necesidades de calor y frío. Exploraremos cómo los conceptos de transferencia de calor y trabajo mecánico se combinan en estos sistemas para crear microclimas que mejoran nuestra calidad de vida, sin comprometer el futuro de nuestro planeta.

                                                       Fig. Aire Acondicionado tipo Split

Sin embargo, la eficiencia no es el único aspecto en juego. A medida que avanzamos hacia un futuro más sostenible, el impacto ambiental de las máquinas de refrigeración y bombas de calor cobra una importancia crucial. Analizaremos cómo la elección de refrigerantes y el diseño de equipos con menor huella de carbono están transformando la industria, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y abriendo paso a alternativas más amigables con el medio ambiente.

                                                           Fig. Cámara Frigorífica

En este blog, navegaremos por el intrincado entramado de la termodinámica aplicada a los refrigeradores y bombas de calor, explorando sus aplicaciones industriales y su impacto en el acondicionamiento de aire. A medida que desentrañamos los principios detrás de estas máquinas esenciales, nos sumergiremos en un mundo donde la ingeniería y la ciencia se unen para forjar un futuro más fresco, cómodo y sostenible para las generaciones venideras.

                                         Como funciona un aire acondicionado Mini Split

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Termodinámica Aplicada a Máquinas Térmicas

              
Explorando la aplicación de la Termodinámica en Máquinas Térmicas

En el vertiginoso mundo de la tecnología y la ingeniería, los motores de combustión interna siguen siendo piezas fundamentales que impulsan una gran variedad de vehículos y maquinarias en la industria moderna. Desde los confiables motores Otto y Diesel hasta los intrigantes motores Wankel y las potentes turbinas de gas y vapor, estas máquinas icónicas son el corazón palpitante de la maquinaria que impulsa nuestra sociedad. Pero, ¿alguna vez te has preguntado qué fuerzas invisibles y procesos mágicos están en juego en su funcionamiento? La respuesta radica en uno de los conceptos fundamentales de la física: la termodinámica.

                                                    Fig.  Ciclo Diesel 4 Tiempos

Bienvenidos a nuestro blog, donde nos sumergiremos en el apasionante mundo de la aplicación de la termodinámica en los motores de combustión interna y exploraremos cómo esta rama de la física da vida a estas máquinas industriales, impulsa la eficiencia y moldea su impacto en el medio ambiente. Desde los principios básicos hasta las complejas interacciones en el interior de los motores, desentrañaremos los secretos detrás de su funcionamiento y examinaremos cómo los avances en la termodinámica han revolucionado la forma en que aprovechamos la energía contenida en los combustibles.

Acompáñanos en este viaje educativo mientras desentrañamos las leyes termodinámicas que gobiernan la transformación de calor en trabajo, exploramos cómo los ciclos termodinámicos dan vida a los motores de combustión interna y descubrimos cómo la búsqueda incansable de la eficiencia está dando forma al diseño de estos motores para minimizar su impacto en el entorno que nos rodea. Desde la prometedora eficiencia de los motores Diesel hasta la explosiva potencia de los motores de gas, nos sumergiremos en las entrañas de cada uno de estos motores y revelaremos cómo los principios termodinámicos son la piedra angular de su operación.

                                                    Fig. Turbina de Gas marca Solar

Prepárate para desentrañar los misterios del calor, la energía y la potencia mientras exploramos la aplicación de la termodinámica en los motores de combustión interna, y cómo esta aplicación impacta no solo en la industria, sino también en nuestro mundo en constante evolución. ¡Acompáñanos en este emocionante viaje hacia el corazón ardiente de la tecnología de motores!

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EXPLORANDO LA EXERGÍA

Explorando la Exergía: 

Conectando Eficiencia, Máquinas Térmicas y Sostenibilidad Ambiental

Introducción

En el vasto y complejo mundo de la energía, un concepto emerge como un faro de claridad en medio de la oscuridad: la exergía. En la búsqueda constante de mejorar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental, la exergía se alza como una herramienta fundamental. Pero, ¿qué es exactamente la exergía y cómo se entrelaza con las máquinas térmicas y la sostenibilidad ambiental? En este emocionante viaje de cinco pasos, exploraremos la exergía desde sus fundamentos hasta su aplicación práctica, desentrañando su relación con las máquinas térmicas y revelando cómo su comprensión profunda puede moldear el camino hacia un futuro más ecológico y energéticamente eficiente.

Paso 1: Desentrañando el Enigma de la Exergía

Comenzaremos nuestro viaje adentrándonos en los misterios de la exergía. ¿Qué la diferencia de otras formas de energía? ¿Cómo se calcula y por qué es crucial para medir la utilidad real de la energía en distintos procesos? Exploraremos sus raíces termodinámicas y su capacidad única para capturar la parte de la energía que puede realizar un trabajo útil.

Paso 2: Máquinas Térmicas en el Escenario

Una vez que tengamos una base sólida sobre la exergía, pasaremos a las máquinas térmicas, las ingeniosas creaciones humanas diseñadas para convertir la energía térmica en trabajo mecánico. A medida que desentrañamos sus entresijos, descubriremos cómo la exergía se convierte en un concepto esencial en la evaluación de su eficiencia y rendimiento.

Paso 3: Exergía en Acción

El tercer paso nos llevará a la acción. Exploraremos ejemplos concretos de cómo se aplica la exergía en diversas industrias y sistemas, desde la generación de energía hasta la refrigeración y más allá. A medida que analizamos estas aplicaciones, entenderemos cómo la exergía puede ser un faro guía para diseñar y mejorar sistemas energéticos más eficientes.

Paso 4: El Desafío Ambiental y la Exergía

A medida que avanzamos en nuestro viaje, enfrentaremos la cuestión crítica del impacto ambiental. Examinaremos cómo la exergía puede proporcionar una perspectiva holística sobre la eficiencia energética y cómo su enfoque puede ayudar a reducir la huella ambiental de las actividades humanas. Reflexionaremos sobre cómo esta herramienta puede orientarnos hacia soluciones más sostenibles y amigables con el medio ambiente.

Paso 5: Tejiendo un Futuro Sostenible con la Exergía

En nuestro último paso, exploraremos el camino a seguir. Con una comprensión más profunda de la exergía y su relación con las máquinas térmicas, consideraremos cómo podemos aplicar estos conocimientos para forjar un futuro energético más sostenible. Reflexionaremos sobre cómo la exergía puede inspirar innovación y fomentar prácticas industriales y personales más conscientes del medio ambiente.

En este emocionante viaje de cinco pasos, develaremos los secretos de la exergía, exploraremos su vínculo con las máquinas térmicas y examinaremos su influencia en el desafío ambiental que enfrentamos. Prepárate para sumergirte en un mundo de conceptos fascinantes y aplicaciones prácticas que pueden allanar el camino hacia un mañana más brillante y ecológico.

         La energía se conserva en todo dispositivo o proceso pero la utilidad potencial (exergía) se destruye a causa de la naturaleza irreversible del proceso.

       La exergía es el trabajo teórico máximo que se puede obtener de la mutua interacción entre el medio ambiente y un sistema cerrado hasta alcanzar el estado de equilibrio.

        Los cambios de energía interna, entropía y volumen de las propiedades extensivas del ambiente, están relacionados mediante.

      Las energías cinética C0  y potencial Z0 se evalúan con relación al ambiente  para el cual se considera, que todas sus partes se encuentran en reposo.

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Enunciado de Carnot

El Enunciado de Sadi Carnot y su Impacto en Motores Térmicos y Refrigeración

Introducción: 

Sumérgete en el fascinante mundo de la termodinámica con el enunciado de Sadi Carnot como punto de partida. Este enunciado, desarrollado en el siglo XIX, sentó las bases para la comprensión de la eficiencia en los procesos térmicos, impactando de manera profunda en el diseño y funcionamiento de motores, refrigeradores y bombas de calor. 

Exploraremos cómo la visión pionera de Carnot sobre la conversión de calor en trabajo ha moldeado nuestras tecnologías contemporáneas y ha impulsado la búsqueda de sistemas más eficientes y sostenibles. 

Acompáñanos en este viaje a través de la teoría y la práctica detrás de estas innovadoras aplicaciones, a través de la ciencia que ha transformado nuestra forma de aprovechar y controlar el calor en beneficio de la sociedad moderna, mientras desentrañamos el legado duradero de Sadi Carnot en el mundo de la energía térmica.

 Fue Carnot, físico e ingeniero francés, quien en 1824 descubrió el segundo principio de la Termodinámica, aunque sin formularlo como tal.

¿De donde vienen las maquinas térmicas? ,  ¿Cómo funcionan? . Acompañados en este viaje fascinante y descubre tu mismo a travez de los siguientes videos.

             
                                             Parte 1   La máquina de la naturaleza 

                                           Parte 2   La máquina de la naturaleza 

                                         Parte 3 La máquina de la naturaleza 

Enunciado de Sadi Carnot

¨Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura T2, que denominaremos fuente caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fría T1".

                                                                   T2 > T1

W = Qs - Qr

El rendimiento termodinámico de la maquina termica, será la energía útil en forma de trabajo, entre el calor suministrado.

Si los procesos son reversibles.

                                                                        

Enunciado de Kelvin Planck

Enunciado de Clausius

                                                                       

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