Fluido de trabajo

A fluido de trabajo es una presión gas o líquido que acciona un máquina. Los ejemplos incluyen vapor en un motor de vapor, el aire en un motor de aire caliente y fluido hidráulico en un motor hidráulico o cilindro hidráulico. Más generalmente, en un sistema termodinámico, el fluido de trabajo es un líquido o gas que absorbe o transmite energía.

Propiedades y Estados

Las propiedades del fluido de trabajo son esenciales para la descripción completa de sistemas termodinámicos. Aunque los fluidos de trabajo tienen un gran número de propiedades físicas que pueden definirse, son pocas las propiedades termodinámicas que se requieren a menudo en análisis y diseño de ingeniería. Presión, temperatura, entalpía, entropía, volumen específico y energía interna son las más comunes.

Diagrama presión – volumen muestra estatal (p, V)

Si se conocen al menos dos propiedades termodinámicas, el estado del fluido de trabajo puede ser definido. Esto es hecha generalmente en un diagrama de propiedad que es simplemente una parcela de uno propiedad contra otro.

Proceso termodinámico típico para un fluido de trabajo (expansión del estado 1 al estado 2)

Cuando el fluido pasa a través de componentes de la ingeniería tales como turbinas y Compresores, se mueve el punto en un diagrama de propiedad debido a los posibles cambios de ciertas propiedades. En teoría, por tanto, es posible trazar una línea/curva que describe completamente las propiedades termodinámicas del fluido. En realidad sin embargo esto puede hacerse solamente si el proceso es reversible. Si no, los cambios en la propiedad se representan como una línea de puntos en un diagrama de la propiedad. Este problema no afecta realmente a Análisis termodinámico puesto que en la mayoría de los casos son los Estados finales de un proceso que son buscados.

Trabajo

El fluido de trabajo se puede utilizar para salida útil trabajo Si se utiliza en un turbina. También, en ciclos termodinámicos de energía puede ser entrada al fluido de trabajo por medio de un compresor. La formulación matemática para esto puede ser muy simple si consideramos un cilindro en el cual reside un fluido de trabajo. Se utiliza un pistón para trabajo útil que el líquido de entrada. De la mecánica, la labor del estado 1 al estado 2 del proceso está dada por

$W = -\int_{1}^{2} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{s}$

Donde ds es la distancia incremental de un estado a otro y F se aplica la fuerza. Se introduce el signo negativo puesto que en este caso se considera una disminución en el volumen. La situación se muestra en la figura que sigue.

Entrada del trabajo en un fluido de trabajo mediante un arreglo cilindro-pistón

La fuerza está dada por el producto de la presión en el cilindro y su área seccional transversal que

$W = -\int_{1}^{2} \mathit{pA} \cdot \mathrm{d}\mathbf{s}$
$W = -\int_{1}^{2} \mathit{p} \cdot \mathrm{d}\mathit{V}$

Donde A.DS = dV es el cambio de volumen del cilindro elemental. Si de estado 1 a 2 el volumen aumenta entonces el fluido de trabajo realmente funciona en sus alrededores y esto comúnmente se denota por un trabajo negativo. Si disminuye el volumen de la obra es positiva. Por la definición dada con la integral sobre el trabajo realizado está representado por el área bajo una presión - diagrama de volumen. Si consideramos el caso donde tenemos un proceso de presión constante entonces el trabajo se da simplemente por

$W = -\mathit{p}\int_{1}^{2} \mathrm{d}\mathit{V}$
$W = -\mathit{p} \cdot \mathrm{(V_2-V_1)}$

Proceso de presión constante en un diagrama P-v

Opción

Dependiendo de la aplicación, se utilizan varios tipos de fluidos de trabajo. En un ciclo termodinámico puede ser el caso de que el fluido de trabajo cambia de estado de gas a líquido o viceversa. Ciertos gases como el helio pueden ser tratados como gases ideales. Esto no es generalmente el caso de vapor sobrecalentado y el ecuación de gas ideal No realmente tiene. A temperaturas mucho más altas sin embargo todavía rinde resultados relativamente precisos. Las propiedades físicas y químicas del fluido de trabajo son extremadamente importantes en el diseño de sistemas termodinámicos. Por ejemplo, en una unidad de refrigeración, el fluido de trabajo se llama el refrigerante. Amoníaco es un refrigerante típico y puede ser utilizado como el fluido de trabajo primario. En comparación con el agua (que también puede ser utilizado como refrigerante), amoníaco hace uso de relativamente altas presiones que requieren equipos más robustos y costosos.

En aire estándar ciclos como en turbina de gas ciclos, el fluido de trabajo es aire. En la turbina de gas de ciclo abierto, el aire entra un compresor donde se incrementa la presión. El compresor por lo tanto entradas de trabajo para el fluido de trabajo (trabajo positivo). El líquido luego se transfiere a una cámara de combustión donde se introduce esta energía térmica tiempo mediante la quema de combustible. Entonces el aire se expande en una turbina así haciendo trabajo contra el entorno (trabajo negativo).

Diferentes fluidos de trabajo tienen diferentes propiedades y elegir uno en particular el diseñador debe identificar los principales requisitos. En las unidades de refrigeración, alto calor latente están obligados a proporcionar capacidades de refrigeración grande.

Aplicaciones y ejemplos

La tabla siguiente da los usos típicos de los fluidos operantes y ejemplos para cada uno:

Aplicación	Fluido de trabajo típico	Ejemplo específico
Turbina de gas ciclos	Aire
Ciclos Rankine	Agua/vapor, Pentano, tolueno
Refrigeración de compresión de vapor, bombas de calor	Clorofluorocarbonos, hidroclorofluorocarbonos, fluorocarbonos, propano, butano, isobutano, amoníaco, dióxido de azufre	Refrigeradores comerciales, Acondicionadores de aire
Vehículo de lanzamiento reutilizable extensible vertical-piernas de aterrizaje	Helio	Programa de desarrollo de sistema de lanzamiento reutilizable de SpaceX

Véase también

• Motor de alimentación de agua

Referencias

• Eastop & McConkey (1993). Termodinamica aplicada para tecnólogos de ingeniería (5ª edición. Ed.). Singapur: Prentice Hall. págs. 9 – 12. ISBN0-582-09193-4.

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