En el campo de la energía hidráulica , un fluido de trabajo es un gas o líquido que transfiere principalmente fuerza , movimiento o energía mecánica . En hidráulica , el agua o el fluido hidráulico transfieren 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 explota). (Algunos gases también se condensan en líquidos a medida que se comprimen y hierven a medida que se reduce la presión).
Para la transferencia de calor pasiva , un fluido de trabajo es un gas o líquido, generalmente llamado refrigerante o fluido de transferencia de calor, que transfiere calor principalmente hacia o desde una región de interés por conducción , convección y/o convección forzada ( enfriamiento de líquido bombeado , enfriamiento de aire , etc.).
El fluido de trabajo de un motor térmico o una 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) por cambio de fase y/o calor de compresión y expansión. Los ejemplos que utilizan el cambio de fase incluyen agua↔vapor en motores de vapor y refrigerantes en sistemas de refrigeración y aire acondicionado 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 refrigeración elastocalórica 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 de transferencia de calor pasivos e hidráulicos 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 se pueden definir, las propiedades termodinámicas que suelen requerirse 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 se hace generalmente en un diagrama de propiedades, que es simplemente un gráfico de una propiedad en comparación con 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 los 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 la realidad esto solo se puede hacer si el proceso es reversible . De lo contrario, los cambios en la 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 son los estados finales de un proceso los que se buscan.
El fluido de trabajo se puede utilizar para generar trabajo útil si se utiliza en una turbina . Además, en los ciclos termodinámicos, se puede introducir energía en el fluido de trabajo por medio de un compresor . La formulación matemática para esto puede ser bastante simple si consideramos un cilindro en el que reside un fluido de trabajo. Se utiliza un pistón para introducir trabajo útil en el fluido. Desde el punto de vista de 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 porque 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 modo 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 se denota comúnmente por un trabajo negativo. Si el volumen disminuye, el trabajo es positivo. Por la definición dada con la integral anterior, el trabajo realizado se representa 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 simplemente se da por
Dependiendo de la aplicación, se utilizan varios 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. Algunos gases, como el helio, pueden considerarse gases ideales . Este no suele ser el caso del vapor sobrecalentado y la ecuación del gas ideal no se cumple realmente. Sin embargo, a temperaturas mucho más altas, sigue arrojando 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 utiliza presiones relativamente altas que requieren equipos más robustos y costosos.
En los ciclos estándar de aire, 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 introduce trabajo en el fluido de trabajo (trabajo positivo). A continuación, el fluido se transfiere a una cámara de combustión donde, esta vez, se introduce energía térmica mediante la quema de un combustible. A continuación, el aire se expande en una turbina y realiza trabajo contra el entorno (trabajo negativo).
Los distintos fluidos de trabajo tienen distintas 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 muestra aplicaciones típicas de fluidos de trabajo y ejemplos de cada una:
F9R (pronunciado F-niner) muestra una pequeña pata. El diseño es un pistón telescópico anidado con un armazón en forma de A... Helio a alta presión. Debe ser ultraligero.
