Máquinas Térmicas: Fundamentos y Aplicaciones

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Máquinas Térmicas

Introducción

Una máquina térmica es aquella capaz de producir trabajo útil a partir de la energía térmica almacenada en un fluido. La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa, estableciendo primeramente las equivalencias entre trabajo y calor y determinando, después, en qué condiciones puede obtenerse trabajo a partir de energía térmica.

Principios de la Termodinámica

El procedimiento para convertir calor en trabajo o viceversa, implica una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido (equivalente mecánico del calor, y es = a 4,18 J/cal), siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial: W/Q = cte

El calor no se puede transformar íntegramente en trabajo, ya que al calentar un sistema, éste transforma una parte de calor en trabajo, y el resto lo destina a modificar su energía interna (U).

Q=W+ΔU –> ΔU = Q – W

Tipos de procesos termodinámicos:

  • ISÓCORA (V=cte)
  • ISOBARA (p=cte)
  • ISOTERMA (T=cte)
  • ADIABÁTICA (Q=cte)

Función de Estado

Dependen de los estados inicial y final, no del camino seguido para conseguirlo: (P)(V)(T)(U)

Ecuación de Estado

pV=nRT

Variables no función de estado

Dependen de las condiciones en que se desarrolle el proceso termodinámico: (Q) Trabajo (W)

Segundo Principio de la Termodinámica

  • Una máquina térmica solo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un foco caliente y lo cede en parte a otro foco más frío.
  • El calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente.

W=Qc-Qf

Ciclo de Carnot

  • Es ideal.
  • Es reversible, por lo que puede funcionar como máquina frigorífica.

Rendimiento

El máximo que puede producir una máquina térmica funcionando entre focos Qc y Qf:

n=1 – Qf / Qc

n= 1 – Tf / Tc

Máquina de Vapor

El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotativo por un sistema de biela-manivela del que forma parte un volante de inercia.

Motores de Combustión Interna

Motor de 4 Tiempos de Encendido Provocado

Partes

Pistón, Bujía, aros, retén de aceite, perno, biela, cilindro, cigüeñal, válvula, balancín, resorte.

Funcionamiento

Se realiza en 4 tiempos (cambios de sentido del movimiento del pistón – dos vueltas del cigüeñal):

  1. Admisión: El pistón al descender desde el punto muerto superior, crea un vacío en el cilindro que hace que este aspire el aire a través de la válvula de admisión que se encuentra abierta.
  2. Compresión: La válvula se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior, momento en el cual este empieza a subir de nuevo comprimiendo la carga hasta llegar al punto muerto superior.
  3. Expansión: Antes de que se produzca la compresión se produce la inflamación del combustible aumentando la presión y la temperatura. El pistón apunta hacia abajo produciéndose el trabajo.
  4. Escape: Una vez que el pistón ha llegado al punto muerto inferior se abre la válvula de escape, el pistón asciende y los gases salen al exterior.

Motor de 2 Tiempos

Ausencia de válvulas

Lumbrera de admisión, Lumbrera de escape, Lumbrera de transferencia.

Tiempos

ADMISIÓN-COMPRESIÓN – EXPANSIÓN-ESCAPE (1 vuelta cigüeñal)

Ventajas

  • Sencillez de construcción
  • Supresión de las válvulas
  • Mayor potencia (trabajo útil en cada vuelta del cigüeñal, mientras que el de 4 tiempos cada 2 vueltas)
  • Mejor transmisión

Inconvenientes

  • Menor rendimiento mecánico
  • Mayor temperatura de funcionamiento
  • Mayor desgaste de sus partes
  • Mayor contaminación (queman aceite)

Primer Tiempo

Cuando el pistón está en el punto muerto superior se produce la inflamación, los gases se expanden hasta que abren la lumbrera de escape por donde sale el gas a alta presión. Y una vez el pistón baja comprime la mezcla del cárter y se abre una comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra en el cilindro expulsando los gases hacia la lumbrera de escape.

Segundo Tiempo

El pistón comienza a subir desde el punto muerto inferior a la fase de barrido y admisión hasta que cierran las lumbreras de admisión y escape. En ese momento comienza la compresión hasta llegar al PMS, quedando la lumbrera de admisión abierta y entrando el fluido al cárter.

Ciclo Otto

Etapas:

  • 0-1: ADMISIÓN
  • 1-2: COMPRESIÓN
  • 2-3: EXPLOSIÓN
  • 3-4: EXPANSIÓN
  • 4-1: ESCAPE
  • 1-0: EXP. GASES

Motor de Cuatro Tiempos de Encendido por Compresión

Ciclo Diesel

Etapas:

  • 0-1: ADMISIÓN
  • 1-2: COMPRESIÓN
  • 2-3: EXPLOSIÓN
  • 3-4: EXPANSIÓN
  • 4-1: ESCAPE
  • 1-0: E. GASES

Comparación Motor Diesel con el de Gasolina

Ventajas

  • Relación compresión mucho mayor
  • Mayor rendimiento térmico (mayor calor transformado en trabajo)
  • Menor consumo de combustible
  • Mayor vida del motor

Inconvenientes

  • Potencia menor
  • Mayor contaminación (más NOx, SOx, hollín)
  • Motor más pesado
  • Mayor coste de construcción
  • Mayor ruido por las fuertes explosiones

Motores de Combustión Externa

Turbina de Gas

Partes

  • Compresor: elevan la presión del aire.
  • Cámara de combustión: en ella se mezcla el aire comprimido con el combustible inyectado.
  • Turbina: elemento que transforma la energía cinética de los gases de escape en energía mecánica (rotación).
  • Tobera de escape: (para dirigir los gases en máquinas de chorro)

Aplicaciones

  • Generadores autónomos.
  • Propulsión de aviones.

Turbina de Vapor

Partes

  • Bomba: impulsa el líquido.
  • Caldera: calienta el agua líquida y la pasa a vapor.
  • Turbina: produce trabajo cuando el vapor incide sobre sus álabes.
  • Condensador: el vapor húmedo condensa en su totalidad.

Aplicaciones

  • Centrales de producción de energía eléctrica.
  • Propulsión de buques.

Refrigeración

Eficiencia de la Máquina Frigorífica

Se define eficiencia como el cociente entre el calor absorbido y el trabajo realizado.

Eficiencia = Q2/W= Q2/Q1-Q2

Eficiencia = T2/T1-T2

Componentes de una Instalación Frigorífica

  • Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.
  • Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.
  • Sistema de expansión: El refrigerante líquido entra en el Dispositivo de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.
  • Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

Tipos de Sistemas de Refrigeración por Gas

  • Normalmente aire
  • Ciclo de Brayton inverso
  • Aplicación en aviación

Refrigeración por Vapor

  • Fluidos criogénicos (fluorocarbonos)
  • Ciclo de Rankine inverso

Bomba de Calor

Eficiencia de una Bomba de Calor

Se define eficiencia como el cociente entre el calor cedido y el trabajo realizado.

Eficiencia = Qc /W= Qc /Qc -Qf

Eficiencia = Tc /Tc -Tf

Menor consumo energético (eléctrico) que el calentamiento por resistencias.

Resumen

  • Turbina de Gas (máquina de combustión interna) – Ciclo de BRAYTON
  • Turbina de Vapor (máquina de combustión externa) – Ciclo de RANKINE