MÁQUINAS TÉRMICAS

MÁQUINAS TÉRMICAS

1. ¿QUÉ ES UNA MÁQUINA TÉRMICA?

La termodinámica es la parte de la física que se ocupa de las relaciones existentes entre el calor y el trabajo. El calor es una forma de energía, y al suministrar calor a ciertos dispositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico útil, y en pérdidas por calor.

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua.

Para estudiar los ciclos termodinámicos que describen los fluidos en el interior de una máquina térmica, se parte de las transformaciones básicas representadas en un diagrama presión – volumen (p-V)

1.1 TIPOS DE TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS

En las máquinas térmicas los sistemas evolucionan de forma que, partiendo de un estado inicial, vuelven a él, mediante transformaciones cerradas. El punto de inicio y fin, tiene las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura. Son transformaciones cíclicas y se cumple que: 

ΔU=0 (el incremento de Energía interna es igual a 0) 

Y según el primer principio de la termodinámica:

ΔQ = W + ΔU  ΔQ = W           W = Q2 – Q1

El trabajo en una máquina térmica (que es el área encerrada en la curva) es positivo cuando el ciclo se realiza en el sentido de las agujas del reloj, el sistema recibe calor y realiza un trabajo de expansión (motor térmico). Y el trabajo es negativo cuando se realiza en sentido anti horario, el sistema cede calor al exterior y se realiza un trabajo de compresión (máquina frigorífica). El trabajo neto resultante de un ciclo completo será: WTOTAL = W12 + W21

2. TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Las máquinas térmicas permiten obtener un trabajo mecánico útil a partir de un desnivel térmico natural o artificial; o bien, a partir de un trabajo externo, permite obtener un desnivel térmico entre dos focos. Estas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas en: 

•Máquina térmica directa: Motores térmicos

Operan de forma cíclica, toman calor de un foco caliente, realizan un trabajo útil y entregan calor de desecho a un foco frío, normalmente el ambiente. Este proceso tiene un rendimiento

•Máquina térmica inversa: Máquina frigorífica y bomba de calor

Reciben un trabajo para pasar calor desde un foco frío a otro caliente. El trabajo lo suele proporcionar un compresor. Este proceso tiene un rendimiento o eficiencia

El rendimiento en cualquier máquina es la relación entre el trabajo que sale (trabajo o energía útil) y el que entra (energía suministrada o absorbida), o como la relación entre la potencia que sale y la que entra.

2.1 LA MÁQUINA FRIGORÍFICA

Una máquina frigorífica es el dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar para hacerla inferior a la de su entorno. La máquina frigorífica toma una cantidad de calor (Q2) de un foco frío denominado “evaporador” y cede una cantidad de calor (Q1) a un foco caliente llamado “condensador”. Para que este proceso tenga lugar es necesario suministrar una cierta cantidad de energía (W). La energía mecánica necesaria puede ser obtenida a partir de un motor eléctrico o compresor.  La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorígeno, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y de cambio de fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras. Los fluidos frigorígenos son sustancias que cambian de estado por condensación o evaporación, a presiones y temperaturas determinadas. 

2.2 LA BOMBA DE CALOR

Es una máquina frigorífica capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un determinado espacio. La bomba de calor está destinada y proyectada para producir un efecto frigorífico en el evaporador y un efecto calorífico en el condensador.

La diferencia fundamental entre una bomba de calor y una máquina frigorífica es que el objetivo de una máquina frigorífica es extraer calor de un foco frío mientras que el de una bomba de calor es ceder calor a un foco caliente

3. MOTORES TÉRMICOS. CLASIFICACIÓN 

Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. 

Uno de los criterios en el que basarnos para clasificar los motores es teniendo en cuenta donde se realiza la combustión y así hay:

a) Motores de combustión externa: son aquellos en los que el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio que produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Pertenecen a este grupo las máquinas de vapor y las turbinas de vapor.

b) Motores de combustión interna. En estos motores, la combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor. Dentro de este grupo se integran los motores de explosión, los motores diésel, las turbinas de gas de ciclo abierto, las turbohélices, etc. 

3.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES TÉRMICOS

Teniendo esta tabla en cuenta vamos a ver un motor térmico de combustión externa de fluido condensable rotatorio como la turbina de vapor y un motor térmico de combustión interna de gasolina alternativo con encendido por chispa y siguiendo el ciclo Otto como es el motor de 4 tiempos. 

4. TURBINA DE VAPOR (COMBUSTIÓN EXTERNA)

Estas máquinas han sido durante mucho tiempo los únicos motores térmicos disponibles y desempeñaron un papel clave en el desarrollo tecnológico que sobrevino con la primera revolución industrial. 

¿Cómo Funciona una Turbina de Vapor?

En una caldera se obtiene el vapor haciendo hervir agua. El combustible para calentar el agua puede ser gas, petróleo, carbón o incluso uranio en las centrales nucleares. El vapor de agua producido es un vapor a mucha presión (alta presión) y con alta velocidad. 

A través de unos tubos, llamado toberas, el vapor generado en la caldera se lleva hasta la turbina.

Este vapor, al llegar a la turbina golpea los álabes (paletas) y hace girar la turbina y su eje. El eje de la turbina se llama rotor.

A una fila de álabes se le llama carrete. Una turbina está formada por varios carretes y cada carrete tiene varios álabes.

Una vez que el vapor sale de la turbina ha perdido su fuerza y parte de su calor, pero el vapor que quede a la salida se aprovecha condensándolo y devolviéndolo a la caldera para posteriormente calentarlo de nuevo y utilizarlo otra vez en el circuito.

Como es un circuito cerrado vapor-líquido, las pérdidas son menores y el rendimiento de la máquina mayor.

Para condensar el vapor a la salida de la turbina se utiliza un condensador (unos tubos de agua fría), que al entrar en contacto con el vapor de la turbina, enfrían el vapor y lo condensa. El vapor así condensado, ahora líquido, todavía tiene calor y por lo tanto llega a la caldera con ese calor, lo que hará más fácil (se gastará menos energía) pasarlo de nuevo a vapor para volver a realizar el ciclo.

Para mejorar el rendimiento, a veces, las turbinas tienen enganchado a su eje dos o tres turbinas más, de tal forma que el vapor golpea primero la primera, después la siguiente y así una a una hasta salir por la última. Lo que se consigue con esto es aprovechar al máximo la fuerza del vapor.

Si tiene 3 turbinas, se llaman respectivamente, turbina de alta, de media y de baja presión. Esto mejora, de nuevo, el rendimiento de la máquina.

5.MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (COMBUSTIÓN INTERNA)

Los motores de combustión interna son aquellos que queman el combustible en una cámara interna al propio motor. Los gases resultantes del proceso de combustión empujan un émbolo o pistón,  desplazándolo en el interior de un cilindro (movimiento alternativo) y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación.

El motor de explosión de 4 tiempos es un motor de encendido provocado (MEP), de gasolina que sigue un ciclo termodinámico Otto: El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y gasolina y para su ignición tiene la ayuda de una chispa eléctrica producida por el sistema de encendido (bujía). Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos. Admisión, compresión, explosión-expansión y escape.

 

El ciclo que sigue es el siguiente:

• Primer tiempo 0-1: Admisión

Baja el pistón, se abre la válvula de admisión, entra por aspiración (a presión constante) la mezcla carburante y aire

• Segundo tiempo 1-2: Compresión

Las válvulas de admisión y escape están cerradas; sube el pistón comprimiendo adiabáticamente la mezcla; la temperatura aumenta.

• Tercer tiempo 2-3 Explosión, 3-4 Expansión

Es único tiempo en el que se realiza trabajo hacia el exterior

La mezcla explota por la chispa de la bujía. Las válvulas están cerradas y se considera que la explosión se realiza a presión constante y que la expansión es adiabática

• Cuarto tiempo 4-1, 1-0: Escape

4-1: Se abre la válvula de escape, lo que provoca una bajada de la presión a volumen constante debido al escape de los gases.

1-0: el pistón avanza barriendo el resto de los gases y expulsándolos a través de la válvula de escape.