Para la potencia hidráulica , un 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 hidráulicas , cilindros hidráulicos 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 neumáticos y motores neumáticos . En los sistemas neumáticos, el gas de trabajo también almacena energía porque es comprimible. (Los gases también se calientan a medida que se comprimen y se enfrían a medida que se expanden; esta bomba de calor incidental rara vez se aprovecha). (Algunos gases también se condensan en líquidos a medida que se comprimen y hierven a medida que se reduce la presión).
Para la transferencia pasiva de calor , un fluido de trabajo es un gas o líquido, generalmente llamado refrigerante o fluido de transferencia de calor, que principalmente transfiere calor hacia o desde una región de interés por conducción , convección y/o convección forzada ( enfriamiento por líquido bombeado) . refrigeración por aire , etc.).
El fluido de trabajo de un motor térmico o bomba de calor es un gas o líquido, generalmente llamado refrigerante , refrigerante o gas de trabajo, que convierte principalmente la energía térmica (cambio de temperatura) en energía mecánica (o viceversa) mediante cambio de fase y/o Calor de compresión y expansión. Los ejemplos que utilizan el cambio de fase incluyen agua↔vapor en máquinas de vapor y refrigerantes en sistemas de aire acondicionado y refrigeración por compresión de vapor . Los ejemplos sin cambio de fase incluyen aire o hidrógeno en motores de aire caliente como el motor Stirling , aire o gases en bombas de calor de ciclo de gas , etc. (Algunas bombas de calor y motores térmicos utilizan "sólidos de trabajo", como bandas de goma, para elastocalóricos refrigeración o enfriamiento termoelástico y níquel titanio en un prototipo de motor térmico).
Los fluidos de trabajo distintos del aire o el agua se recirculan necesariamente en un circuito. Algunos sistemas hidráulicos y pasivos de transferencia de calor están abiertos al suministro de agua y/o a la atmósfera, a veces a través de filtros de ventilación . Los motores térmicos, las bombas de calor y los sistemas que utilizan líquidos volátiles o gases especiales suelen estar sellados detrás de válvulas de alivio .
Las propiedades del fluido de trabajo son esenciales para la descripción completa de los sistemas termodinámicos. Aunque los fluidos de trabajo tienen muchas propiedades físicas que pueden definirse, las propiedades termodinámicas que a menudo se requieren en el diseño y análisis de ingeniería son pocas. 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 generalmente se hace en un diagrama de propiedades que es simplemente un gráfico de una propiedad versus 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 mueve debido a posibles cambios de ciertas propiedades. Por lo tanto, en teoría es posible dibujar una línea/curva que describa completamente las propiedades termodinámicas del fluido. Sin embargo, en realidad esto sólo puede hacerse si el proceso es reversible . De lo contrario, los cambios de propiedad se representan como una línea de puntos en un diagrama de propiedades. Esta cuestión no afecta realmente al análisis termodinámico ya que en la mayoría de los casos lo que se busca son los estados finales de un proceso.
El fluido de trabajo se puede utilizar para producir trabajo útil si se utiliza en una turbina . Además, en los ciclos termodinámicos se puede introducir energía al fluido de trabajo mediante un compresor . La formulación matemática de esto puede ser bastante simple si consideramos un cilindro en el que reside un fluido de trabajo. Se utiliza un pistón para aportar trabajo útil al fluido. Desde la mecánica, el trabajo realizado desde el estado 1 al estado 2 del proceso viene dado por:
donde ds es la distancia incremental de un estado al siguiente y F es la fuerza aplicada. Se introduce el signo negativo ya que en este caso se está considerando una disminución del volumen. La situación se muestra en la siguiente figura:
La fuerza está dada por el producto de la presión en el cilindro y su área de sección transversal tal que
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 realmente realiza trabajo sobre sus alrededores y esto comúnmente se denota por 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 de presión-volumen . Si consideramos el caso en el que tenemos un proceso de presión constante, entonces el trabajo viene dado simplemente por
Dependiendo de la aplicación se utilizan distintos tipos de fluidos de trabajo. En un ciclo termodinámico puede darse el caso de que el fluido de trabajo cambie de estado de gas a líquido o viceversa. Ciertos gases como el helio pueden tratarse como gases ideales . Generalmente, este no es el caso del vapor sobrecalentado y la ecuación del gas ideal realmente no se cumple. Sin embargo, a temperaturas mucho más altas todavía se obtienen 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 llama refrigerante. El amoníaco es un refrigerante típico y puede usarse como fluido de trabajo principal. En comparación con el agua (que también se puede utilizar como refrigerante), el amoníaco utiliza presiones relativamente altas que requieren equipos más robustos y costosos.
En los ciclos estándar de aire como en los ciclos de turbina de gas , el fluido de trabajo es el aire. En la turbina de gas de ciclo abierto, el aire ingresa a un compresor donde aumenta su presión. Por lo tanto, el compresor aporta trabajo al fluido de trabajo (trabajo positivo). Luego, el fluido se transfiere a una cámara de combustión donde esta vez se ingresa energía térmica mediante la quema de un combustible. Luego, el aire se expande en una turbina, generando así trabajo contra el entorno (trabajo negativo).
Los diferentes fluidos de trabajo tienen diferentes propiedades 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 proporciona aplicaciones típicas de fluidos de trabajo y ejemplos para cada uno:
F9R (pronunciado F-niner) muestra una pequeña pierna. El diseño es un pistón telescópico anidado con un marco... Helio de alta presión. Necesita ser ultraligero.
