1. INTRODUCCIÓN
2. FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS
3. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS TERMICAS
3.1. MÁQUINA DE VAPOR (MÁQUINA ALTERNATIVA DE COMBUSTIÓN EXTERNA)
3.2. TURBINA DE VAPOR (MÁQUINA CONTINUA DE COMBUSTIÓN EXTERNA)
3.3. MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA
3.3.1. MOTORES DE 4 TIEMPOS.
3.3.2. MOTORES DE 2 TIEMPOS.
3.4. TURBINA DE GAS (MÁQUINA CONTINUA DE COMBUSTIÓN INTERNA)
3.4.1. TURBINAS DE EXPLOSION
3.4.2. TURBINAS DE COMBUSTIÓN
3.5. MOTOR STIRLING
3.6. MOTOR WANKEL
3.7. MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
3.7.1. REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN.
3.7.2. REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN.
3.8. BOMBA DE CALOR
4. APLICACIONES DE LAS DISTINTAS MÁQUINAS TÉRMICAS
5. CONCLUSIÓN
6. Bibliografía
− Tecnología automoción 4. Editorial Edebé
− Tecnología industrial 2. Ed. Mc-GrawHill
− Motores endotérmicos. Ed. Dossat.
− Turbomáquinas térmicas. Mataix
1. INTRODUCCIÓN
En este tema se verán las principales máquinas térmicas, con una introducción de termodinámica y el desarrollo posterior del tema, ya que este tema tiene mucha importancia en el currículo de tecnología, porque se ve tanto en la ESO que se ven someramente el funcionamiento, como en Bachillerato donde se profundiza ampliamente.
Se entiende por máquina térmica a un sistema cerrado que trabaja según procedimientos termodinámicos cíclicos, es decir, con estados inicial y final iguales, y que produce trabajo mediante un intercambio de calor con los alrededores, o viceversa.
La termodinámica es la parte de la física que analiza los fenómenos en los que interviene el calor, estudiando las transformaciones de energía.
Resulta de gran importancia estudiar el primer principio y el segundo de la termodinámica, antes de explicar las máquinas térmicas.
El primer principio de la termodinámica, establece que la variación de energía interna de un sistema en un proceso determinado se corresponde a la variación de calor que se experimenta, menos la variación de trabajo durante el proceso, su fórmula es:
ΔU = Q − W
Entendiendo por energía interna (∆U) la suma de todas las energías de un cuerpo. Tratándose de una función de estado, es decir, que no depende más que del estado inicial y final del proceso, no importando el camino recorrido.
El segundo principio de la termodinámica establece que es posible convertir en calor cualquier cantidad de trabajo, mientras que el proceso inverso no se puede llevar a acabo con una eficacia del cien por cien.
Una vez vistos estos conceptos, pasamos a explicar los puntos que constituyen la base del tema a desarrollar.
2. FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Una máquina térmica funciona quemando un combustible para aprovechar la energía térmica que desprende convirtiéndola en energía mecánica. Toda máquina térmica trabaja siempre entre dos focos de temperatura, foco de alta temperatura correspondiente a la combustión del combustible y foco de baja temperatura correspondiente al ambiente.
Carnot, se encargó de realizar estudios termodinámicos que concluyeron con los siguientes dos puntos:
1. El rendimiento térmico de una máquina térmica del tipo irreversible, real, es siempre menos que el correspondiente a una máquina térmica reversible ideal, que trabaje con los mismos focos de temperatura.
2. Los rendimientos térmicos de dos máquinas térmicas reversibles que trabajen entre los dos mismos focos de temperatura son siempre iguales.
Por lo tanto, y según dichos estudios de Carnot existirá siempre un rendimiento máximo teórico para cualquier máquina que trabaje entre dos focos de temperatura.
Así, según los estudios de Carnot, tendremos el esquema de la siguiente figura para cualquier máquina térmica.
Dibujo esquema que queda, que de una fuente de temperatura alta Ta, se da calor a la máquina y está da trabajo y cede temperatura al foco frio Tb
Fuente de alta Tª Ta
Qa
Térmica W
Qb
Fuente de baja Tª Tb
La fórmula que establece el rendimiento es la siguiente. η = W Qa = Qa − Qb –Qa = 1 − Qb – Qa = 1 − Tb –Ta
Existen diversos ciclos teóricos que trabajan según ese rendimiento máximo, los cuales veremos en los puntos siguientes adaptados a cada tipo de máquina. En este punto únicamente trataremos el ciclo de Carnot, constituido por dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, que constituyen las siguientes 4 etapas:
• Etapa 1-2: Expansión isoterma con absorción de calor (Qa) desde el foco de mayor temperatura.
• Etapa 2-3: Expansión adiabática del fluido de trabajo hasta que éste alcanza la temperatura del foco frío (Tb). En esta fase se desarrolla trabajo (W).
• Etapa 3-4: Compresión isoterma con desprendimiento de calor (Qb) al foco de menor temperatura (Tb).
• Etapa 4-1: Compresión adiabática del fluido hasta alcanzar la temperatura del foco caliente (Ta). El esquema anterior se sintetiza así:
Como nos hemos referido en todo momento a máquinas ideales, con procesos reversibles, si invertimos el sentido de cada etapa obtendremos el ciclo invertido de Carnot, o ciclo de refrigeración de Carnot. Una máquina que funcione según este ciclo será una máquina frigorífica.
Una máquina frigorífica siempre trabajará entre dos focos de temperatura (el foco de baja temperatura correspondiente a la zona que queremos refrigerar y el foco de alta temperatura correspondiente al ambiente). Necesitará la aportación de un trabajo externo y extraerá calor tal y como muestra el siguiente esquema.
De la temperatura baja Tb, la máquina térmica coge calor y se le aporta trabajo, para ceder calor al foco de temperatura alta Ta.
Su esquema anterior es así:
Máquina
Térmica W
La expresión que expresa en rendimiento es
η = Qb –W = Qb
Qa − Qb = Tb – Ta − Tb
3. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS TERMICAS
Realizo un esquema de la clasificación.
MAQUINAS DE COMBUSTION
– alternativas
– motor de explosión motor diesel
GENERADORES DE ENERGÍA INTERNA
– rotativas
– turbina de gas en ciclo abierto motor Wankel
MAQUIN AS TERMICA MECANICA
MAQUINAS DE COMBUSTION
– alternativas máquina de vapor
INTERNA rotativas
turbina de vapor
turbina de gas en ciclo abierto
CONSUMIDORES DE ENERGÍA MECÁNICA
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
BOMBAS DE CALOR
por compresión por absorción
A continuación veremos las características y el funcionamiento de las principales máquinas que pertenecen a cada de estas clasificaciones.
3.1. MÁQUINA DE VAPOR
Con este tipo de máquinas comenzó la Revolución Industrial, ya que se trata del primer generador de trabajo a partir de un combustible. El principio básico de estos motores es la transformación de energía calorífica en energía mecánica, haciendo que el vapor de agua procedente de una caldera se expanda y se enfríe en un cilindro dotado de un émbolo móvil.
La máquina de vapor puede ser denominada de simple o de doble efecto. En el primer caso la expansión del vapor se produce siempre en la misma dirección, mientras que en el segundo, el más habitual, el vapor se expande alternativamente en las dos direcciones del émbolo. Este movimiento lineal alternativo del émbolo, por medio de un mecanismo biela-manivela puede transformarse en un movimiento circular. Las máquinas de vapor y las turbinas de vapor se basan en el ciclo Ranking, que se lleva a cabo en 4 fases, según estas 4 fases:
1.- Evaporación isobárica de 1 a 2
2.- Expansión adiabática de 2 a 3
3.- condensación isobárica de 3 a 4
4.- compresión isocórica de 4 a 1
3.2. TURBINA DE VAPOR
Una turbina de vapor es una máquina rotativa con una serie de rodetes con palas que son accionados por el vapor generado en una caldera a alta presión. Dicho vapor hace girar el eje y de esta manera se obtiene un trabajo mecánico.
Las turbinas de vapor se pueden clasificar de varias formas. La primera según la dirección general del flujo del fluido de trabajo a través de la máquina, es decir en flujo radial y flujo axial. Hoy día la mayor parte de las turbinas están diseñadas para el fluido axial del vapor.
Principalmente se clasifican en turbinas de acción y de reacción, en función de la forma de expansión del vapor.
Turbina de acción: es aquella en la que el vapor es conducido al interior de la máquina y es distribuido por unos difusores situados en las toberas, lo que hace que el vapor se expanda y empuje a las palas del rodete.
Turbina de reacción: es aquella en que el vapor de introduce en los canales que forman los álabes de rodete y es allí donde se expande el vapor.
El ciclo que siguen es el ciclo de Rankine, ya que da mayor eficiencia. Este ciclo es una modificación del ciclo de Carnot, para superar los problemas que éste plantea al trabajar con un fluido condensable.
La principal diferencia con respecto al ciclo de Carnot es que la adición y cesión de calor es isobara y no isoterma, ya que los intercambios de calor reales fuera de zona de vapor húmedo se realizan a Presión constante y no a Temperatura constante.
La fórmula del rendimiento de la turbina es Rendimiento igual a 1 menos Calor del condensador entre calor de la caldera.
η = 1 − QCONDENSADOR QCALDERA
3.3. MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA
Estos motores son los más utilizados sobre todo en automoción. Podemos distinguir dos grupos:
1. El motor de gasolina o motor de encendido provocado. Llamado así porque el encendido del combustible se realiza por medio de un salto de chispa provocado por la bujía.
2. El motor diesel o motor de encendido por compresión. Llamado así porque el combustible se inflama al encontrarse sometido a una alta presión, sin necesidad de chispa.
3.3.1. MOTORES DE 4 TIEMPOS.
Los motores de gasolina basan su funcionamiento en el desarrollo del ciclo OTTO, el cual se compone de 4 tiempos diferenciados:
• 1er tiempo. Admisión: inicialmente el pistón se encuentra en el PMS y comienza una carrera descendente por el cilindro, a la vez que se va abriendo la válvula de admisión. La depresión creada por el aumento de volumen en el cilindro,
provoca la entrada de la mezcla (aire +gasolina) a través de la válvula de admisión, la cual se irá cerrando paulatinamente hasta la llegada del pistón al PMI.
• 2º tiempo. Compresión: el pistón comienza ahora una carrera ascendente. Las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas, de manera que se comprime la mezcla, aumentando así su presión y su temperatura. El pistón llega al PMS, momento en que la mezcla queda comprimida en al cámara de combustión por el pistón.
• 3er tiempo. Explosión: con el pistón en el PMS se hace saltar una chispa entre los electrodos de la bujía, la cual produce la inflamación de la mezcla provocando el desplazamiento del pistón hasta el PMI, y una aceleración en el giro del cigüeñal.
• 4º tiempo. Escape: finalmente el pistón, que se encuentra nuevamente en el PMI, comienza su última carrera ascendente del ciclo. En ese momento comienza a abrirse la válvula de escape, desalojando lo gases procedentes de la combustión al exterior, hasta que el pistón llega al PMS y la válvula de escape queda totalmente cerrada.
De los 4 tiempos, sólo el tercero realiza trabajo y se almacena en forma de energía mecánica en el volante de inercia, que después se utiliza en los otros 3 tiempos para completar un ciclo.
En cuanto a los motores Diesel, sólo existen diferencias parciales respecto a las del OTTO. En primer lugar, durante el tiempo de admisión sólo entra aire en el cilindro. Por tanto, será comprimido sin estar en contacto con el combustible. El tiempo de explosión es en este caso de expansión, dado que no existe una combustión brusca de la mezcla. Por el contrario, durante gran parte de la carrera descendente del pistón se va inyectando combustible que se irá quemando al entrar en contacto con el aire a tan alta presión y temperatura.
3.3.2. MOTORES DE 2 TIEMPOS.
En los motores de 2 tiempos, tiene también las 4 fases que las de 4 tiempos pero el ciclo se hace en 2 carreras del pistón, es decir, con una vuelta del cigüeñal. Carece de válvulas y distribución. Por su sencillez y simplicidad se usa en algunas motocicletas. Aquí la entrada y salida del aire se hace por unas lumbreras, que son orificios abiertos o cerrados por el pistón.
En el campo de la automoción son muy populares entre los ciclomotores de baja cilindrada, o algunas herramientas de jardinería, los motores de 2 tiempos. Como particularidad principal hay que destacar que basta con una sola vuelta del cigüeñal para realizad un ciclo completo.
Las ventajas del motor de 2 tiempos sobre el de 4 son: mayor diversidad de potencia y velocidad, mejor fabricación y menor consumo de combustible.
3.4. TURBINA DE GAS
El fundamento de esta turbina es el aprovechamiento del movimiento que genera una corriente de aire a gran velocidad al incidir sobre las aspas acopladas a un rodete. El funcionamiento sería el siguiente: el aire que entra en el compresor es impulsado por él a mayor presión hacia una cámara de combustión donde el combustible está siendo inyectado por una bomba. La combustión continúa a presión constante y produce un aumento de temperatura y de volumen de fluido. A continuación se produce la expansión de la mezcla produciendo así un trabajo mecánico en el eje. Tras la expansión, la mezcla es conducida al medio ambiente.
Distinguimos dos tipos de turbinas, las de explosión y las de combustión.
3.4.1. TURBINAS DE EXPLOSION
Constan de un compresor, una o más cámaras de combustión y la turbina. La cámara se carga con el compresor, se carga de combustible y explosiona por una chispa, donde los gases al salir inciden sobre los álabes de la turbina. El ciclo ideal de estas máquinas es el de Otto a expansión completa.
3.4.2. TURBINAS DE COMBUSTIÓN
Tiene un compresor, una cámara de combustión y una turbina. Es similar al anterior pero la combustión se hace por la alta presión del combustible cuando entra en la cámara de combustión, y los gases se hacen llegar a la turbina que además se usa para mover el compresor. Se aplica en la propulsión de aviones en turborreactores y turbocompresores, también en plantas generadoras de electricidad, en propulsión marina, etc.
El ciclo representativo es el ciclo Brayton, limitado por 2 trasformaciones adiabáticas y 2 isóbaras, pudiendo representarse como un ciclo cerrado.
El rendimiento térmico será, uno menos calor cedido entre calor adicionado.
η = 1 −QCEDIDO-QADICIONADO
3.5. MOTOR STIRLING
Es una máquina de combustión externa formada por 2 cilindros a distintas temperaturas, separados por un regenerador. El gas, aire, helio o hidrógeno, pasa de uno a otro a través de 2 pistones.
El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.
El ciclo está formado por dos isotermas y dos isócoras.
3.6. MOTOR WANKEL
Este motor de pisón rotativo alcanza regímenes altos sin vibraciones. Tiene un cártel y en su interior se mueve un rotor triangular. El rotor está dentado interiormente y tiene dos movimientos, uno de rotación por engranaje con el piñon central y otro de rotación sobre sí mismo. El movimiento de las aristas genera unas cámaras donde se hacen los 4 tiempos del ciclo termodinámico.
El cilindro es una cavidad con forma de 8, que tiene un pistón triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.
Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.
El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente, es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape.
3.7. MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
El principio de funcionamiento de los ciclos de refrigeración y de las bombas de calor, se basan en el principio del ciclo de Carnot. Este ciclo es reversible, que opera entre dos focos de temperatura, foco caliente y foco frío. El ciclo consta de 4 transformaciones, 2 adiabáticas y 2 isotermas.
Las máquinas frigoríficas son una particularidad de las máquinas térmicas, en las que se introduce un trabajo con el fin de extraer un flujo de calor del recinto a refrigerar a la vez que se cede calor a un foco de temperatura más alta. Las máquinas frigoríficas funcionan con el ciclo invertido de Carnot, cuyo esquema de funcionamiento se ha visto antes.
El coeficiente de operación (COP) es igual al calor extraído del foco frío dividido entre el trabajo empleado en extraer calor del foco frío.
COP = calor _ extraido _ foco _ frio trabajo _ empleado _ extraer _ calor _ foco _ frio
Existe refrigeración por compresión y por absorción.
3.7.1. Refrigeración por compresión.
En la práctica se usan dos sistemas de refrigeración por compresión, que es refrigerado por vapor o por gas. El refrigerado por vapor usa fluidos frigoríficos con punto de ebullición a presión atmosférica de entre -30 a -40 ºC. El ciclo de basa en sucesivas condensaciones y evaporaciones, debido a los procesos endotérmicos y exotérmicos.
El sistema de gas, es similar, pero en la fase de expansión se produce una reducción alta de la temperatura aprovechando trabajo aplicado a la compresión, y se habla de intercambiadores de calor, en vez de condensador y evaporador.
3.7.2. Refrigeración por absorción.
Es similar a la compresión pero la compresión no se hace con un compresor, sino que se aprovecha la habilidad que tiene el agua de absorber grandes cantidades de amoníaco o bromuro de litio, que actúan como refrigerante dando procesos endotérmicos.
Un fluido refrigerante debe tener elevado calor latente de vaporización, baja presión de condensación y presión de vaporización superior a la atmosférica. Los fluidos se identifican con una R seguida de números. Así tenemos el freón 14 como R-14, el cloruro de metilo como R-30, etc.
3.8. BOMBA DE CALOR
El objetivo de la bomba es aportar calor al recinto que está a una temperatura Tc desde un foco cuya temperatura es inferior Tf.
Una bomba de calor es igual que la máquina frigorífica, pero utilizada en sentido inverso, es decir aquí el foco frío está en el exterior y el caliente en el interior donde se introduce Qc.
Existen máquinas que hacen las funciones de refrigeración y calefacción, llamadas bombas de calor, donde llevan una válvula reversible para invertir el sentido de circulación del fluido.
La eficiencia de una bomba de calor se expresa con epsilon igual a Tc entre (Tc menos Tf)
ε = TC TC − T f
Las bombas de calor se clasifican en función del elemento o medio que está en contacto con el evaporador y condensador.
Así tenemos 4 tipos.
1.- Aire-aire, utilizada como calefacción en la vivienda
2.- Aire-agua, usada en piscifactorías
3.- Agua-agua, para climatizar viviendas, pabellones, etc.
4.- Agua-aire, en la calefacción de una vivienda que toma como foco frío el agua de un río.
4. APLICACIONES DE LAS DISTINTAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Veamos 6 aplicaciones, aunque ya se han visto algunas en el desarrollo del tema.
• 1.- Máquina de vapor: supuso un inmenso adelanto tecnológico, gracias a ella se pudo crear el ferrocarril, así como diversa maquinaria industrial. Hoy en día es uso de esta máquina presenta varios inconvenientes como el gran espacio que requiere para su instalación, velocidad y potencia relativamente escasa para las necesidades actuales, etc. Por ello, su uso es bastante escaso, prácticamente nulo.
• 2.- Turbina de vapor: por la alta eficacia de esta máquina y por la facilidad de obtener el vapor de agua, su utilización es elevada, sobretodo en centrales de generación de energía eléctrica, propulsión marina, etc.
• 3.- Motor de combustión interna: en sus dos variantes (gasolina y diesel) es el motor más utilizado en automóviles, camiones, barcos, etc, es decir, en el campo de la automoción.
• 4.- Turbina de gas: se utiliza ampliamente en aviación debido a su bajo peso y a la alta generación de potencia. Se emplea en turborreactores, turbohélices, etc. También se utiliza para la generación de energía eléctrica siempre que se tr- te de potencias inferiores a 100 MW.
• 5.- Máquinas frigoríficas: es una máquina que se ha convertido en un artículo de primera necesidad en nuestra sociedad, por lo que la utilización de estos métodos es masiva. Se emplea tanto en el uso doméstico, en aires acondicionados, frigoríficos, etc. como nivel industrial, cámaras frigoríficas, vehículos frigoríficos, plantas de congelación, refinerías de petróleo, en tratamientos de metales, etc.
• 6.- Bombas de calor, en viviendas o instalaciones como calefacción en invierno y refrigeración en verano, como combinación con piscina climatizada y pista de hielo, etc.
• 7.- Motor Stirling., en motores de cogeneración, en bombas de calor, en satélites artificiales.
5. CONCLUSIÓN
Para finalizar y a modo de conclusión, destaremos la importancia de las máquinas térmicas en el desarrollo tecnológico e industrial, ya que gracias al estudio y desarrollo de las mismas se han podido satisfacer las múltiples necesidades de los diferentes tipos de industrias. A lo largo del tema se ha tratado de ver con el tiempo disponible, qué tipos de máquinas térmicas existen, así como su funcionamiento a aplicaciones.