fluido de trabajo

En la propulsión hidráulica , el fluido de trabajo es un gas o líquido que principalmente transfiere fuerza , movimiento o energía mecánica . En hidráulica , el agua o el fluido hidráulico transfiere fuerza entre componentes hidráulicos como bombas , cilindros y motores hidráulicos , que se ensamblan en maquinaria hidráulica , sistemas de accionamiento hidráulico , etc. En neumática , el fluido de trabajo es aire u otro gas que transfiere fuerza entre componentes neumáticos como compresores , bombas de vacío , cilindros y motores neumáticos . En los sistemas neumáticos, el gas de trabajo también almacena energía debido a su compresibilidad. (Los gases también se calientan al comprimirse y se enfrían al expandirse. Algunos gases también se condensan en líquidos al comprimirse y hierven al disminuir la presión).

En la transferencia de calor pasiva , un fluido de trabajo es un gas o un líquido, generalmente llamado refrigerante o fluido de transferencia de calor, que transfiere principalmente calor hacia dentro o hacia fuera de una región de interés por conducción , convección y/o convección forzada ( refrigeración por líquido bombeado , refrigeración por aire , etc.).

El fluido de trabajo de una máquina térmica o bomba de calor es un gas o líquido, generalmente llamado refrigerante o gas de trabajo, que convierte principalmente la energía térmica (cambio de temperatura) en energía mecánica (o viceversa) mediante un cambio de fase y/o el calor de compresión y expansión. Ejemplos que utilizan el cambio de fase incluyen la conversión de agua en vapor en las máquinas de vapor y los refrigerantes en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado por compresión de vapor . Ejemplos sin cambio de fase incluyen el aire o el hidrógeno en motores de aire caliente como el motor Stirling , el aire o los gases en las bombas de calor de ciclo de gas , etc. (Algunas bombas de calor y máquinas térmicas utilizan "sólidos de trabajo", como gomas elásticas, para la refrigeración elastocalórica o termoelástica, y níquel-titanio en un prototipo de máquina térmica).

Los fluidos de trabajo distintos del aire o el agua se recirculan necesariamente en un circuito cerrado. Algunos sistemas hidráulicos y de transferencia de calor pasiva están abiertos al suministro de agua y/o a la atmósfera, a veces mediante filtros de ventilación . Las máquinas térmicas, las bombas de calor y los sistemas que utilizan líquidos volátiles o gases especiales suelen estar sellados con válvulas de alivio .

Las propiedades del fluido de trabajo son esenciales para la descripción completa de los sistemas termodinámicos. Si bien los fluidos de trabajo poseen numerosas propiedades físicas que pueden definirse, las propiedades termodinámicas, que suelen requerirse en el diseño y análisis de ingeniería, son escasas. La presión , la temperatura , la entalpía , la entropía , el volumen específico y la energía interna son las más comunes.

Si se conocen al menos dos propiedades termodinámicas, se puede definir el estado del fluido de trabajo. Esto se suele hacer mediante un diagrama de propiedades, que es simplemente una gráfica que representa una propiedad frente a otra.

Cuando el fluido de trabajo pasa a través de componentes de ingeniería como turbinas y compresores , el punto en un diagrama de propiedades se desplaza debido a los posibles cambios en ciertas propiedades. En teoría, por lo tanto, es posible trazar una línea o curva que describa completamente las propiedades termodinámicas del fluido. Sin embargo, en la práctica, esto solo es posible si el proceso es reversible . De lo contrario, los cambios en las propiedades se representan como una línea punteada en el diagrama. Este problema no afecta realmente al análisis termodinámico, ya que en la mayoría de los casos lo que se busca son los estados finales del proceso.

El fluido de trabajo puede utilizarse para generar trabajo útil si se emplea en una turbina . Asimismo, en los ciclos termodinámicos, se puede suministrar energía al fluido de trabajo mediante un compresor . La formulación matemática para esto puede ser bastante sencilla si consideramos un cilindro que contiene un fluido de trabajo. Un pistón se utiliza para suministrar trabajo útil al fluido. Desde el punto de vista de la mecánica, el trabajo realizado desde el estado 1 al estado 2 del proceso viene dado por:

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

donde ds es la distancia incremental de un estado al siguiente y F es la fuerza aplicada. El signo negativo se introduce ya que en este caso se considera una disminución del volumen. La situación se muestra en la siguiente figura:

La fuerza viene dada por el producto de la presión en el cilindro y su área de sección transversal, de tal manera que

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \\&=-\int _{1}^{2}P\cdot \mathrm {d} V\end{aligned}}}$

Donde A ⋅ ds = dV es el cambio elemental del volumen del cilindro. Si del estado 1 al 2 el volumen aumenta, entonces el fluido de trabajo realiza trabajo sobre su entorno, lo que comúnmente se denota con un trabajo negativo. Si el volumen disminuye, el trabajo es positivo. Según la definición dada con la integral anterior, el trabajo realizado está representado por el área bajo un diagrama presión-volumen . Si consideramos el caso en el que tenemos un proceso a presión constante, entonces el trabajo viene dado simplemente por

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}}$

Dependiendo de la aplicación, se utilizan diversos tipos de fluidos de trabajo. En un ciclo termodinámico, el fluido de trabajo puede cambiar de estado, de gas a líquido o viceversa. Ciertos gases, como el helio, pueden considerarse gases ideales . Esto no suele ser así para el vapor sobrecalentado, y la ecuación de los gases ideales no se cumple del todo. Sin embargo, a temperaturas mucho más elevadas, aún proporciona resultados relativamente precisos. Las propiedades físicas y químicas del fluido de trabajo son extremadamente importantes al diseñar sistemas termodinámicos. Por ejemplo, en una unidad de refrigeración, el fluido de trabajo se denomina refrigerante. El amoníaco es un refrigerante típico y puede utilizarse como fluido de trabajo principal. En comparación con el agua (que también puede utilizarse como refrigerante), el amoníaco requiere presiones relativamente altas, lo que exige equipos más robustos y costosos.

En los ciclos de turbina de aire estándar, al igual que en los ciclos de turbina de gas , el fluido de trabajo es el aire. En la turbina de gas de ciclo abierto, el aire entra en un compresor donde se aumenta su presión. Por lo tanto, el compresor realiza trabajo sobre el fluido de trabajo (trabajo positivo). A continuación, el fluido se transfiere a una cámara de combustión donde se le aporta energía térmica mediante la combustión de un combustible. Posteriormente, el aire se expande en una turbina, realizando así trabajo contra el entorno (trabajo negativo).

Los distintos fluidos de trabajo poseen propiedades diferentes, y al elegir uno en particular, el diseñador debe identificar los requisitos principales. En las unidades de refrigeración, se requieren altos calores latentes para proporcionar grandes capacidades de refrigeración.

La siguiente tabla muestra aplicaciones típicas de fluidos de trabajo y ejemplos para cada una:

• Lista de gases
• Motor hidráulico

• Eastop y McConkey (1993). Termodinámica aplicada para tecnólogos de ingeniería (5.ª  ed.). Singapur: Prentice Hall. págs. 9-12 . ISBN  0-582-09193-4.