Para tener éxito en la ingeniería, hay que dominar el arte de la repetición. Esto se aplica no solo a su propio trabajo, sino también a los procesos que utiliza como ingeniero. En ingeniería, un sistema sufre un ciclo cuando regresa a su estado inicial al final de un proceso. Los ciclos son importantes porque nos permiten repetir el mismo proceso una y otra vez, logrando el resultado deseado. Algunos de los dispositivos más utilizados, como las bombas de calor y los frigoríficos, se basan en ciclos. Exploremos cómo funcionan los ciclos en estos dispositivos.
Comprensión de los ciclos
En un motor térmico, que convierte el calor en otras formas de energía, un fluido de trabajo pasa por cuatro etapas de un ciclo. El fluido absorbe calor en una caldera, se expande en una turbina para generar trabajo, libera el exceso de calor en un condensador y una bomba lo vuelve a presurizar para iniciar el proceso nuevamente. Los cambios totales de energía a lo largo del ciclo se equilibran según la primera ley de la termodinámica.
Un diagrama de fases puede ayudar a visualizar el estado cambiante del fluido de trabajo a lo largo del ciclo. Para un motor térmico que utiliza agua como fluido de trabajo, el diagrama muestra las diferentes fases del fluido en cada etapa del ciclo.
Los motores térmicos también pueden adaptarse para convertirse en ciclos de refrigeración. Al alterar el objetivo del sistema de producir calor en lugar de trabajo, podemos usar bombas de calor e refrigeradores para agregar o quitar calor de un sistema. Estos ciclos siguen un proceso similar de cuatro etapas, utilizando un refrigerante para absorber y liberar calor, manteniendo fresco el ambiente deseado.
El ciclo de refrigeración
En un refrigerador, el fluido de trabajo, generalmente un químico hidroclorofluorocarbono, circula a través de cuatro etapas. En el evaporador, el líquido a baja temperatura y presión absorbe calor del interior. El compresor eleva la presión y la temperatura del gas. En el condensador, el gas vuelve a convertirse en líquido, liberando calor. Finalmente, una válvula de expansión reduce la presión y la temperatura del líquido, preparándolo para absorber más calor en el siguiente ciclo.
Un diagrama de fases de un ciclo de refrigeración muestra las diferentes fases del refrigerante en cada etapa. Este diagrama revela que el fluido pasa más tiempo en estado gaseoso que en estado líquido.
Mejora de Procesos
Si bien los ciclos completos son ideales, las limitaciones prácticas a veces requieren ciclos incompletos o modificados. Un ejemplo es el «zeal pot», un ingenioso sistema de refrigeración inventado por Mohamed Baraba. Al aprovechar las propiedades de enfriamiento por evaporación de la arena húmeda, el Zeal Pot puede mantener los alimentos frescos incluso en climas cálidos con recursos limitados. Sin embargo, se necesita trabajo adicional para reponer el agua evaporada.
La ingeniería es un viaje continuo de descubrimiento y optimización. Al utilizar recursos de energía renovable, como la energía solar, para alimentar los ciclos de refrigeración, podemos hacer que estos sistemas sean aún más eficientes y sostenibles. La búsqueda de mejorar los diseños y procesos está en el corazón de la ingeniería y siempre hay espacio para el progreso y la innovación.
Hoy exploramos el concepto de ciclos y sus aplicaciones en varios sistemas de ingeniería. Desde motores térmicos hasta refrigeradores, los ciclos desempeñan un papel fundamental para lograr los resultados deseados. Además, al utilizar diagramas de fases y recursos de energía renovable, los ingenieros pueden seguir superando los límites de la eficiencia y la sostenibilidad. Los motores quânticos de calor e refrigeradores, los motores de refrigeradores y el motor de calor son componentes esenciales en la evolución de la ingeniería térmica y de refrigeración.
