MÁQUINAS TÉRMICAS

DEFINICIÓN. CLASIFICACIÓN

Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina.

Máquinas Máquinas TérmicaTérmica

Combustión Combustión ExternaExterna

CombustiónCombustiónInternaInterna

Turbina de gasTurbina de gas

Máquina de vaporMáquina de vapor

Motor de explosiónMotor de explosión

Motor de explosión provocadaMotor de explosión provocada

Motores de explosión por compresiónMotores de explosión por compresión

Turbina de vaporTurbina de vapor

Movimiento rotativo

Movimiento alternativo

Movimiento alternativo

Movimiento alternativo

REPRESENTACIÓN DE UNA MÁQUINA TÉRMICA

En toda máquina térmica la Energía que entra a la máquina es igual a la energía que sale.

El rendimiento térmico es el trabajo o energía útil que obtenemos dividido por la total

CICLO DE CARNOTIdeado por Sadi Canot para comprobar el rendimiento de las locomotoras británicas en 1824. La máquina realiza un trabajo aprovechando la energía que extrae de un foco caliente y cediendo calor a un foco frío.

Expansión isoterma: manteniendo la tª del foco caliente constante aportamos calor al fluido aumentando su volumen y obteniendo un trabajo

Expansión adiabática: no se intercambia calor con el exterior. Se disminuye la temperatura a costa de perder presión.

Compresión isoterma: el sistema se pone en contacto con el foco frío y el gas se

comprime sin aumentar la tª ( tampoco la ΔU) porque cede calor a foco frío. Hay que

hacer trabajo sobre el sistema

Compresión adiabática: no se intercambia calor con el exterior. Se aumenta la temperatura hasta la inicial y aumenta la ΔU a costa de hacer un trabajo.

1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se alcanzan en el ciclo.2. El rendimiento es tanto mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y cuanto menor es la temperatura baja.3. No existe ninguna máquina térmica con un rendimiento mayor al de Carnot puesto que es una máquina ideal que trabaja con procesos reversibles y gases ideales.

CICLO DE CARNOT

MÁQUINA DE VAPOR

Ver funcionamiento El agua impulsada por una bomba se mete en la caldera a alta presión y se lleva a vapor saturado (seco) utilizando el calor obtenido de quemar el combustible. Pasa por un sobrecalentador para elevar su temperatura (600ºC). Este vapor sobrecalentado pasa al cilindro que por medio del mecanismo biela-manivela hace girar el volante de inercia.

Distribuidor(Corredera)

Regulador de velocidad de bolas

TURBINA DE VAPOR

Ver funcionamiento

El vapor de agua obtenido en la caldera se dirige a través de unas toberas a la turbina haciendo girar

el rotor que normalmente se acopla a un generador para obtener electricidad.

CICLO DE RANKINE

El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas(y antiguas máquinas de vapor en locomotoras o barcos). Consiste en calentar agua en una caldera hasta (T1) y evaporarla a presión constante (E-A-B). Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión y temperatura (T2). Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera.

-El proceso E-A-Bes una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima. -La expansión del proceso B-C se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador.-El proceso C-D consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión y temperatura constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo.-En el proceso D-E se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo.

CICLO BRAYTON (TURBINA DE GAS)Es el ciclo que siguen los reactores de los aviones o las turbinas de las centrales termoeléctricas que trabajan con gas.

El aire se aspira y se comprime en un compresor, luego pasa a la cámara de combustión donde se autoinflama debido a la alta temperatura (sólo en el

arranque utiliza chispa). Al producirse la combustión los gases de expanden contra los álabes de la turbina produciendo un trabajo útil y

además el necesario para mover el compresor. Después los gases salen a la atmósfera. En el caso de un turborreactor los gases a la salida de la

combustión se aceleran en una tobera para obtener empuje.

MOTOR DE EXPLOSIÓN O ENCENDIDO PROVOCADO (MEP)

Ver funcionamientoC/D=relación carrera-diámetro. A=sección del pistón. V= cilindrada unitaria

Vt= cilindrada total (n= nº pistones V) R= relación de compresión

Velocidad media del pistón

Diámetro cilindro

Carrera

Volumen cámara combustión

Volumen del cilindro

C

Biela

Cigüeñal

Limitada por la autoignición del combustible ( limita el rendimiento)

MOTOR DE EXPLOSIÓN O ENCENDIDO PROVOCADO (MEP)

Se produce trabajo

Ver funcionamiento

CICLO OTTO

Rendimiento térmico

r= relación de compresión y γ = es el coeficiente adiabático del aire que vale 1,4

La relación estequiométrica de la mezcla es 12000 volúmenes de aire por uno de gasolina

real

Diferencia entre teórico y real● La combustión no es completa y produce CO● Las líneas AB y CD no son adiabáticas se pierde calor por las paredes.● La combustión en BC no es instantánea y aumenta el V. Para

corregirlo se hace el avance de encendido provocando la exlosión antes de que el pistón llegue a B

MOTOR DE DOS TIEMPOS

Ver funcionamiento

Es un motor de dos tiempos realizando la admisión-compresión-expansión -escape en una vuelta del cigüeñal. 1º tiempo, compresión-aspiración: asciende el pistón comprimiento la mezcla de aire-combustible-aceite al mismo tiempo que abre la lumbrera de admisión y entra nueva mezcla2º tiempo, explosión-barrido: la bujía provoca la explosión con la chispa y el pistón baja, precomprime la mezcla y deja libre la lumbrera de escape para que salgan los gases. Los gases pasan por la lumbrera de transferencia llenando el cilindro y expulsando los últimos gases.

Lumbrera de transferencia

Lumbrera de escape

Lumbrera admisión

Se usa fundamentalmente en motocicletas y fuera bordas.Produce una explosión por vuelta de cigüeñal por lo que a misma cilindrada, más potencia que un 4T.Es más sencillo y el rendimiento mecánico es menor que un 4TConsume más y sufre mayor desgaste que 4T

MOTOR DIESEL

Ver funcionamiento

En los Diesel no existe carburador ni sistema de encendido, el motor aspira aire en la fase de admisión E-A luego lo comprimime adiabáticamente a 40-50 atm y 600ºC, fase A-B. En el PMS con un bomba inyectora se introduce gasóleo a 70atm y la mezcla se inflama a presión constante expnadiéndose el gas y bajando el pistón. Al llegar al PMI se abre la válvula de escape,

desciende la presión y se expulsan los gases.

Tienen un mayor rendimiento y utilizan combustible más barato, se usa en automoción, barcos, maquinariaTiene mayor relación de compresión que un OttoSon más pesados y robustos

SOBREALIMENTACIÓN

Incrementa la potencia de los motores de combustión interna aumentando la cantidad de mezcla que admite el cilindro respecto a la que entraría como consecuencia del simple movimiento del émbolo. Se consigue aumentando la presión del aire o mezcla que entra al cilindro intercalando un compresor movido por una turbina ( turbocompresor). Como a la salida del compresor los gases se calientan, es necesario enfriarlos para que no baje la potencia antes de entrar al motor, para ello se coloca un intercambiador de calor o intercooler.

BALANCE ENERGÉTICO

MÁQUINA FRIGORÍFICA

Etapa 1-2: el compresor movido por un motor realiza un trabajo que absorbe el fluido aumentando la presión y la temperatura del refrigerante adiabáticamente.Etapa 2-3: En el condensador, el fluido se licúa cediendo calor al ambiente. Proceso isotérmico.Etapa 3-4: en la válvula de expansión el fluido enfriado se expansiona adiabáticamente y baja la presión y temperatura, se vaporiza parcialmente.Etapa 4-1: en el evaporador se vaporiza a presión constante absorbiendo calor del recinto a enfriar. Expansión isoterma.

EFICIENCIA FRIGORÍFICAPrimer principio de la Termodinámica ( conservación de la E)

Por el Segundo principio de la Termodinámica ( es imposible un proceso que absorba calor de un solo foco y lo convierta íntegramente en trabajo ( existencia de un móvil perpetuo de segunda especie) siendo además necearios dos focos caloríficos.

En procesos reversible en sistemas aislados cuyos focos permanecen a temperatura constante,se verifica que la entropía ( función de estado que determina el grado de desorden de un sistema) permanece constante.

Deducimos de la expresión el Tercer principio de la Termodinámica, es imposible enfriar un cuerpo hasta el cero absoluto pues necesitariamos un trabajo infinito

El rendimiento en máquinas frigoríficas se le llama eficiencia pues suele ser >1 aunque depende de la temperatura del foco frío. La máxima eficiencia será la de una máquina que opere según el ciclo ideal de Carnot

BOMBA DE CALOR

Una bomba de calor funciona con un ciclo similar al de una máquina frigorífica, la diferencia es que ahora podemos utilizarla para obtener frío o calor según trabaje como refrigerador o como calefactor aprovechando el calor cedido por el condensador. Para ello se utiliza una válvula reversible de cuatro vías.

Actuando como calefacción interesa la cantidad de calor que se cede al foco caliente, en este caso el coeficiente de funcionamiento es:

Actuando como refrigerador o aire acondicionado

Son fluidos que absorben calor a baja temperatura y presión y lo ceden a mayor temperatura y presión

Nomenclatura

CaracterísticasElevado calor latente de vaporización: permite usar muy poco refrigerante.Una pequeña cantidad absorbe mucho calor.Baja presión de condensación: evita que el compresor trabaje a altas presiones.Baja viscosidad: evita pérdidas de carga por el circuitoEstabilidad química, no tóxico, no corrosivoAlta conductividad térmica y baja eléctrica...