TEMA 6.
Máquinas Térmicas: Funcionamiento, Clasificación y Aplicaciones.
1. INTRODUCCIÓN Desde los orígenes de la humanidad, el hombre ha utilizado el calor como fuente de energía, generalmente mediante la combustión de determinados compuestos (madera, carbón etc.). Conforme se producía un desarrollo industrial, se inventaban diferentes máquinas que facilitaban el trabajo; sin embargo, la fuente de energía empleada para el movimiento de las mismas era de tipo animal. Durante el siglo 18 se produjeron numerosos avances en la utilización práctica de la energía del vapor. Gracias a estos avances, el inglés James Watt logró perfeccionar la que se constituiría como la primera máquina térmica: la máquina de vapor. Posteriormente, en el siglo 19 se desarrolló la termodinámica; esto es, la parte de la física que analiza los fenómenos en los que interviene el calor, estudiando las transformaciones de energía. De la mano de científicos como Kelvin, Clausius, Carnot, Rankine, etc. Hoy en día los procesos termodinámicos aplicados a la construcción de distintas máquinas térmicas, son parte de nuestra vida. Y nos ayudan tanto en la obtención de energía (centrales térmicas y nucleares de producción de electricidad), como en la producción de movimiento (motores de explosión de los vehículos). Las máquinas térmicas son, por tanto, las capaces de convertir el calor en trabajo, y viceversa. O, lo que es lo mismo, convierten la energía térmica en mecánica y viceversa. 2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Para entender la termodinámica conviene comprender que, el estudio se realiza sobre un sistema, que es la región del espacio en la que se contemplan las variaciones de energía y de otras magnitudes características. El sistema está rodeado de una región exterior que son los alrededores, de los cuales está separado por una frontera. Cuando, entre el sistema y los alrededores, se produce intercambio de energía pero no de materia, se dice que el sistema es cerrado. Si se permite el intercambio de energía y materia el sistema es abierto. Y cuando no se permite ningún tipo de intercambio, el sistema está aislado. Se define Calor de un cuerpo o sistema como el contenido energético, correspondiente a la energía del movimiento de los átomos que los componen. La Temperatura es la magnitud que determina el nivel energético provocado por dicho movimiento de los átomos. Sin embargo, aunque puede parecer que Tª y Calor están íntimamente ligados, podremos comprobar más adelante que no es así, y que un sistema puede sufrir una variación de calor sin variar su Tª. El calor no puede observarse directamente, sino que sólo se observa cuando se transfiere de un sistema a otro o a los alrededores. El criterio de signos establecido es: • Calor positivo cuando se transfiere desde los alrededores al sistema (calor entrante) • Calor negativo cuando se transfiere al contrario (calor saliente)
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Nota para problemas: En un proceso isobárico, en el que el sistema varía su Tª, el calor transferido se halla como: Q = m C T; siendo Q el calor en Julios, m la masa, C el calor específico y T la Tª en º K. Un ejemplo es el proceso de intercambio de calor para igualar las Tª (al mezclar agua, por ejemplo). Es importante notar que se puede emplear tanto Q como ∆Q, ya que ambos significan calor intercambiado o variación de calor. Para gases ideales la entalpía (H = U + PV) y la energía interna varían de la forma:
∆H = m Cp ∆T ∆U = m Cv ∆T
Cp = capacidad térmica a P = cte. (dH/dT)p Cv = capacidad térmica a V = cte. (dU/dT)v
Comprobándose, además que Cp – Cv = R (cte de los gases 8’3 J/mol K) Las formas de intercambiar energía entre el sistema y los alrededores son, en forma de calor, o en forma de trabajo realizado. El criterio de signos adoptado es contrario al del calor: • Trabajo positivo cuando se realiza desde el sistema contra los alrededores (trabajo saliente) • Trabajo negativo cuando se realiza sobre el sistema (trabajo entrante) Se define entonces la energía interna (U) de un sistema, como la suma de todas las energías. Desgraciadamente, esta energía no puede medirse, pero sí se puede medir su variación para un proceso determinado. Para ello se recurre al primer principio de la termodinámica, que no es otro que el de conservación de la energía. Así, la variación de la energía interna de un sistema, durante un proceso determinado, es igual a la variación de calor menos la variación de trabajo. ∆U = Q – W Q = W + ∆U El signo menos viene dado por el criterio de signos empleado, si fuera otro criterio el signo cambiaría. Además conviene observar que se pone Q en lugar de ∆Q, pero es lo mismo, porque con Q se quiere decir calor intercambiado = variación de calor. Según la expresión de la derecha se ve mejor el significado físico: al suministrar calor en un sistema (signo +), o bien se produce un trabajo (signo +) o bien se aumenta la energía interna del sistema (signo +); o ambos a la vez. Veamos, definidos los conceptos básicos, los procesos termodinámicos principales, pues en ellos se basan directamente las máquinas térmicas. 2.2 TRABAJO DE COMPRESIÓN – EXPANSIÓN Al variar el volumen de un sistema cerrado, se está realizando un trabajo. Este tipo de trabajo es el principio de funcionamiento de los motores térmicos. Nos fijamos en un sistema formado por un cilindro que contiene un gas (que se supone ideal P V= n R T) y un émbolo capaz de comprimirlo o expandirlo. Aplicando una fuerza F en el émbolo (de área S), se desplaza una longitud dl, y, suponiendo que la presión permanece constante (P), el trabajo realizado será: W = F dl = P S dl = P dV
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Por tanto el trabajo realizado depende de la presión del gas y de la variación de volumen. Si integramos la expresión se llega a: W = P ∆V
(Julios)
El trabajo es positivo en la expansión (∆V > 0) y negativo en la compresión (∆V < 0). Sin embargo, esta simplificación no es real y conviene expresarlo en la notación integral: V2
W = ∫ P ⋅ dV V1
Puesto que la presión suele depender del volumen del gas. De esta forma es más fácil ver que el trabajo realizado no depende únicamente de los estados inicial y final, sino que depende, además, del camino recorrido. Para una mejor comprensión de los procesos termodinámicos se emplean las gráficas P-V, en las que se representan los caminos recorridos en la variación desde un estado a otro del proceso. P A
B
D
C V
Gráfica P-V de diferentes procesos termodinámicos.
Como se recorren caminos distintos en la compresión que en la expansión, el trabajo neto durante un ciclo completo es distinto de cero, lo cual permite que estos sistemas funcionen como máquinas cíclicas (en caso contrario no tendría sentido su uso). Se comprueba que el trabajo realizado en el proceso de expansión es mayor que el efectuado en el de compresión. El trabajo neto al cabo de un ciclo (el estado inicial y final coinciden) es el área comprendida entre ambas curvas. En este caso hemos supuesto inicialmente que todo el proceso se producía a presión constante. A este tipo de procesos se les denomina isobáricos o isóbaros. Pero existen otros procesos característicos en los que alguna magnitud permanece constante. Veamos todos ellos. 2.3 PROCESOS ISOTÉRMICOS O ISOTERMOS Son los que se producen a Tª = cte. Partiendo de la ecuación de los gases ideales: P V = n R T, si T = cte P V = cte Despejando P y sustituyéndolo en la integral obtenemos: V2
W1→2
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V2
V
2 V nRT dV = ∫ P ⋅ dV = ∫ ⋅ dV = nRT ∫ = nRT· Ln 2 V V V1 V1 V1 V1
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Entonces, si ∆U = m Cv ∆T, como ∆T = 0, ∆U = 0 no varía la energía interna. Por lo que todo el calor se transforma en trabajo, y viceversa: Q=W El calor absorbido o aportado a los alrededores se emplea en el mantenimiento constante de la temperatura. 2.4 PROCESOS ISOBÁRICOS O ISÓBAROS En este caso P = cte, por lo que en la ecuación de los gases: V / T = n R / P = cte V2
V2
V1
V1
W1→2 = ∫ P ⋅ dV = P ∫ dV = P ⋅ ∆V = P ⋅ (V2 − V1 ) En este caso, ∆U = ∆Q - ∆W = ∆Q - P∆V ∆Q = ∆U + P∆V = ∆H = m Cp ∆T Todo el calor intercambiado corresponde a su variación de entalpía. ∆Q = ∆H Se produce o absorbe una cierta cantidad d trabajo (P ∆V). 2.5 PROCESOS ISÓCOROS Son los que se producen a volumen constante (V = cte). Por lo que dV = 0, y W = 0 NO se produce trabajo. Por tanto: ∆U = ∆Q - ∆W = ∆Q ∆Q = m Cv ∆T. Todo el calor intercambiado por el sistema corresponde a la variación de su energía interna (∆ ∆Q = ∆U), y NO se produce trabajo. 2.6 PROCESOS ADIABÁTICOS Son aquellos procesos en los que el sistema se supone perfectamente aislado y no se produce intercambio de calor con los alrededores. Es decir, Q (entendido como ∆Q) = O. En esas condiciones se cumple que Lo que es lo mismo que
P Vγ = cte. T Vγ-1 = cte
Donde γ es el coeficiente adiabático del gas, cuyo valor es Cp/Cv. Y vale 1’4 para el aire y gases diatómicos, 1’66 para gases monoatómicos, y 1’33 para gases poliatómicos. Tras el cálculo integral se llega a una expresión del trabajo: W1→2 =
∆( P ⋅ V ) P2V2 − P1V1 = 1−γ 1−γ
Como Q (∆Q) = 0, ∆U = - W, (el signo menos implica que el trabajo entrante aumenta la energía interna y viceversa)
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Lo que significa que todo el trabajo se emplea en la variación de la energía interna del sistema. En la siguiente gráfica P - V se representa un ciclo con los cuatro procesos vistos: V = cte
P
4 isobárico 1 P = cte isotermo
2 T = cte adiabático
isócoro
3 Q=0 V En los procesos adiabáticos es en los que se produce o absorbe la mayor cantidad de trabajo a lo largo del ciclo. 2.7 ENTROPÍA Y DIAGRAMAS T – S La entropía es un concepto utilizado en termodinámica con fines matemáticos y sin un claro significado físico (al igual que la entalpía). Aunque se suele decir que la entropía es el grado de desorden del sistema. Se define como la relación entre el calor intercambiado y la temperatura a la que ocurre, para cada fase infinitesimal del proceso. Por tanto:
S=Q/T
Como Q es, en realidad, una variación (∆Q), y estamos hablando de instantes infinitesimales, la expresión real será una integral de la forma: T2
dQ ∆S = ∫ T T1
S2
Q = ∫ T ⋅ dS S1
La gran ventaja del uso de la entropía radica en que los diagramas termodinámicos se pueden expresar como diagramas T – S, en lugar de P – V. En este caso, los procesos isotérmicos, se representan mediante una línea horizontal, y los adiabáticos (Q = 0), se representan mediante una vertical pues son, a la vez, isentrópicos, es decir, que la entropía es constante (S = cte) Además, en los procesos isotérmicos se cumple que ∆S = Q/T. (No olvidando que Q es, en realidad, un incremento) De esta forma, un diagrama para un ciclo en el que todos los procesos sean isotermos y adiabáticos, es más sencillo en su representación T – S, y se calcula más fácilmente el área entre las curvas.
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2.8 CICLOS DE CARNOT Son modelos teóricos para el estudio de los ciclos termodinámicos. Se suponen reversibles, por lo que son los más eficaces. Constan de procesos isotérmicos y adiabáticos únicamente. Son dos ciclos idénticos pero recorridos en sentidos contrarios. El ciclo de Carnot propiamente dicho, es la idealización del empleado en las máquinas térmicas que producen un trabajo a partir del calor absorbido. Una máquina térmica opera siempre entre dos focos de distinta Tª, uno caliente (TA) y otro frío (TB) (TB < TA). En este caso, la máquina absorbe calor del foco caliente (QA) y lo transforma en trabajo (W), devolviendo el calor sobrante al foco frío (QB). Se producen 4 fases: 1 2 Expansión isoterma: el fluido se expande absorbiendo calor del foco caliente 2 3 Expansión adiabática: el fluido se expande sin transferencia de calor (Q=0) hasta alcanzar la temperatura del foco frío (TB) se desarrolla un trabajo W 3 4 Compresión isoterma: el fluido se comprime cediendo calor al foco frío 4 1 Compresión adiabática: el fluido se comprime hasta alcanzar TA. El ciclo de Carnot inverso es el mismo pero recorrido en sentido contrario. Se emplea como modelo de máquinas térmicas refrigeradoras pues, se extrae calor (QB) de un foco frío, mediante el consumo de un trabajo (W), y se aporta calor al foco caliente (QA). Las fases, en este caso son: 1 2 Compresión adiabática: el fluido aumenta de Tª a expensas de un trabajo W 2 3 Compresión isoterma: se cede calor al foco caliente (QA) 3 4 Expansión adiabática: el fluido se enfría hasta la Tª del foco frío se reduce la presión del fluido P Q= P Q= Q= Q= 1 0 3 0 0 QA QA 0 2 2 TA = cte TA = cte W
W
QB
QB
4
TB = cte
4
TB = cte
3
1 V
T
QA 1
V T
2
QA 3
2
W 4
QB
3
W 4
QB
S
1 S
4 1 Expansión isoterma: el fluido a baja presión, absorbe calor del foco frío, para continuar la expansión Ciclo de Carnot
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Ciclo de Carnot Inverso
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En un ciclo de Carnot completo se comprueba que el balance neto de entropía es = 0. 2.9 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Se puede enunciar de diferentes maneras: • •
Kelvin – Planch: Ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor recibido en trabajo útil. Clausius: Para transferir calor de un sistema de Tª más baja a otro de Tª más alta es necesario consumir un trabajo.
Clausius investigó mucho el terreno de la entropía y vio que la evolución de los procesos tendía a realizarse en la dirección del aumento de entropía. Así, si tenemos un sistema a mayor Tª que otro y los ponemos en contacto, la transferencia de calor se produce del de mayor Tª al de menor y no al revés. A no ser que, se aporte un trabajo, tal y como dice en 2º principio de la termodinámica. Otra forma de observar este principio es que los ciclos térmicos no pueden recorrer el mismo camino en ambos sentidos. Y que, para aumentar la Tª del sistema, es necesario aportar energía. 2.10 RENDIMIENTO TÉRMICO
(MUY IMPORTANTE)
Fijándonos en el ciclo de Carnot directo, se define rendimiento térmico como la relación entre el trabajo producido por la máquina, entre el calor absorbido del foco
η=
W QA
caliente: En un sistema ideal (como es el ciclo de Carnot) el trabajo realizado será igual a la diferencia entre el calor absorbido del foco caliente y el cedido al foco frío: |W| = QA -QB Nota: se trabaja en módulo para que siempre salga positivo, aunque no sería necesario pues es trabajo saliente y, según nuestro criterio, positivo. Con la expresión anterior, el rendimiento se puede expresar como:
η=
W QA
=
Q A − QB Q = 1− B QA QA
Para el ciclo completo, Carnot comprueba que se cumple la relación: QA / QB = TA / TB Con lo que la expresión del rendimiento para un sistema reversible (ideal) resulta:
η = 1−
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QB T = 1− B QA TA
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Que es el valor del rendimiento máximo teórico de una máquina térmica, o rendimiento de Carnot. Además, dado que TA > TB, nos interesará que el foco caliente sea muy caliente y el frío muy frío, con el fin de que el cociente sea muy pequeño y el rendimiento muy elevado. Nota: se puede llegar a la misma expresión si se realiza el estudio completo de cada fase del ciclo. Así, en los procesos isotérmicos, el calor que se intercambia es nRTLn(Vf/Vi), que es también igual al trabajo en dichos procesos. Si se sustituye QA y QB por sus expresiones, se simplifica ya que las relaciones entre los volúmenes son iguales en ambos casos. Lógicamente, en los casos reales, el rendimiento es menor y se calcula por la propia definición:
η real =
Wútil Qabsorbido
Para el caso del ciclo inverso (máquina térmica refrigeradora), el rendimiento se define como Coeficiente de Operación (COP). En este caso la energía útil no es el trabajo sino el calor absorbido al foco frío (QB), y la energía absorbida es el trabajo aportado desde el exterior (W). De este modo el COP se expresa como: COP =
QB W
Haciendo las mismas transformaciones anteriores:
COP =
QA QB TB = = W Q A − Q B T A − TB
Que es el COP máximo teórico de una máquina térmica inversa o refrigeradora. En este caso, dado que TA > TB, nos interesará justo lo contrario que en el caso anterior, para conseguir un rendimiento elevado. Es decir, se precisa que TB sea elevado y TA sea bajo, no muy superior a TB. El COP real viene dado por la propia definición:
COPreal =
Qabsorbido Wútil
Después de toda esta charla, vamos a entrar el estudio de las máquinas térmicas. 3. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS Como ya hemos ido introduciendo, existen dos tipos principales de máquinas térmicas, según respondan a cada uno de los modelos de Carnot.
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Atendiendo a dicho criterio, tenemos máquinas térmicas: • Generadoras de energía mecánica o máquinas térmicas directas • Consumidoras de energía mecánica o máquinas térmicas inversas El primer grupo está compuesto por los motores de combustión, esto es, los que obtienen la energía térmica mediante la combustión de algún elemento (carbón, gas, derivados del petróleo, etc.) Dicha combustión se puede realizar “in situ”, en el propio sistema, dando lugar a los motores de combustión interna (MCI). Pero también puede tener lugar fuera del sistema, conduciendo el calor obtenido hacia éste, dando lugar a los motores de combustión externa (MCE). Dentro de los motores de combustión interna (MCI), los principales son: • Motores de Explosión: • De encendido provocado por chispa (motores de gasolina) (MEP) • De encendido por compresión (motores diesel) (MEC) • Turbina de gas Dentro de los de combustión externa (MCE), según sea el movimiento generado: • Alternativas (máquina de vapor) • Rotativas (turbina de vapor) En cuanto a las máquinas térmicas consumidoras de energía mecánica, tenemos: • Máquinas Frigoríficas • Bombas de Calor 4. MÁQUINAS TÉRMICAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA Como hemos dicho la fuente de producción de calor se encuentra en el exterior de la máquina, de forma que el calor se conduce hasta el interior mediante vapor de agua. Hay dos tipos principales, la máquina de vapor y la turbina de vapor. Ambas emplean el agua como fluido de trabajo, en sus estados líquido y de vapor. Veamos el funcionamiento de cada una de ellas. 4.1 MÁQUINA DE VAPOR Constitución Física El circuito completo consta de una caldera, un sistema cilindro – émbolo, un mecanismo biela – manivela, un condensador de vapor y una bomba. Aparte de las tuberías necesarias para la circulación del fluido. El cilindro empleado suele ser de doble efecto, con lo que se mejora el rendimiento al proporcionar trabajo útil en ambas carreras. Requiere, además, una válvula distribuidora que abra y cierre alternativamente las válvulas de entrada y salida del cilindro (con un movimiento inverso al del émbolo). El desplazamiento del émbolo (lineal alternativo) se transforma en rotativo mediante el mecanismo biela – manivela, que está acoplado al vástago del émbolo.
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Para un correcto funcionamiento, sin excesivos rozamientos de las partes móviles, se requiere una lubricación, que se aplica pulverizando lubricante con el vapor. Esto tiene la desventaja de necesitar filtrar el vapor recuperado. Funcionamiento • • • • •
El agua, en fase líquida, se conduce hacia la caldera mediante la impulsión de la bomba, que, además, aumenta la presión del líquido. En la caldera se eleva la Tª, pasando al estado de vapor. El vapor es conducido al cilindro, donde es capaz de desplazar el émbolo, produciendo un trabajo. El vapor procedente del cilindro, a menor presión, se recupera y se pasa por el condensador para que vuelva a estado líquido, perdiendo Tª. Se conduce de nuevo a la bomba, que lo impulsa a la caldera.
El ciclo termodinámico es una variación del ciclo de Carnot denominada ciclo de Rankine. P líquid o
QA
caldera 3 vapor
2
W
bomba QB líquido 1
cilindro 4 vapor condensador Q=0 V
1 2
2 3 3 4 4 1
El agua es bombeado aumentando la presión y la Tª. Se teoriza como una transformación isócora (V = cte), pero podría ser adiabática. Al elevar la presión, para que el agua pase a estado de vapor, será necesario elevar aún más la Tª, lo que implica que TA, será muy alta y se mejora el rendimiento teórico. El agua se calienta en la caldera a presión constante (isobárico) pasando a fase de vapor, gracias al aporte de calor QA. El vapor se expande adiabáticamente en el cilindro, produciendo un trabajo (W) que empuja al émbolo. El vapor ha perdido presión y Tª en la expansión y se conduce a un condensador para que recupere su volumen inicial cediendo calor (QB) al foco frío, y pasando de nuevo a fase líquida. (Transformación isobárica)
Aplicaciones Las máquinas de vapor fueron, como hemos dicho, las primeras máquinas térmicas que aparecieron. Se han utilizado en la propulsión de barcos y locomotoras, así como en la industria. Sin embargo, actualmente están prácticamente en desuso, desplazadas por máquinas más perfeccionadas, con mejores rendimientos. 4.2 TURBINA DE VAPOR
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Es una evolución de la anterior, con el fin de obtener, directamente, movimiento continuo en vez de alternativo. Constitución Física Se diferencia de la máquina de vapor en la parte mecánica, que consiste en una serie de rodetes de palas, capaces de girar sobre un eje al que transmiten un movimiento circular continuo. Funcionamiento Se rige por el mismo ciclo que la máquina de vapor (ciclo de Rankine). En este caso el vapor a presión se expande adiabáticamente en las cavidades de la turbina, ganando velocidad e impulsando a las palas o álabes. Las entradas de vapor se disponen tangencialmente a los rodetes para que el movimiento circular se produzca siempre en el mismo sentido. Las ventajas sobre la máquina de vapor son varias: • Los elementos mecánicos soportan menos esfuerzos, por lo que son máquinas más pequeñas, con menor mantenimiento, menos vibraciones y más silenciosas. • No requieren lubricación, excepto en los rodamientos y cojinetes, por lo que el aire es más fácilmente aprovechable. • Aceptan grandes capacidades de trabajo (potencias de hasta 1000 MW) con un buen rendimiento. Aplicaciones Se emplean en las centrales de producción de energía eléctrica (térmicas, nucleares, etc.), acoplando el eje de la turbina a un generador eléctrico. Se emplean también en la propulsión de algunos buques. En las industrias que necesitan de producción de vapor (producción de papel, o de alimentos), se emplean como fuentes de cogeneración de energía eléctrica, a partir de cierta cantidad del vapor producido. 5. MÁQUINAS TÉRMICAS DE COMBUSTIÓN INTERNA En estas máquinas la generación de calor se produce en su interior, mediante la combustión de un elemento combustible. Como combustible se utiliza una mezcla de aire con algún hidrocarburo, derivado del petróleo. Los hidrocarburos más habituales son la gasolina y el gasóleo, en los motores de explosión y otros hidrocarburos más sofisticados en las turbinas de gas. 5.1 MOTORES DE EXPLOSIÓN En los MCI es necesario provocar la combustión. Así, según el combustible empleado (gasolina o gasóleo), y dado que cada uno tiene unas características de combustión diferentes, tenemos los dos tipos principales de motores MCI: los de encendido provocado por chispa y los de compresión. También se suelen denominar popularmente como motores de gasolina y motores diesel. Ambos tienen similares características constructivas, que examinamos a continuación.
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Constitución Física Constan de un cilindro de simple acción en cuyo interior se desplaza alternativamente un pistón. Este pistón se desplaza entre dos posiciones fijas denominadas punto muerto superior (PMS, vástago dentro) y punto muerto inferior (PMI, vástago fuera). A la distancia entre estos puntos se le denomina carrera. La Cilindrada del motor viene dada por la suma de los volúmenes útiles de cada cilindro (nº de cilindros x diámetro x carrera). Se denomina Relación de Compresión a la relación entre el volumen de la cámara entre las posiciones PMI y PMS, y se suele dar normalizada: Rc = (PMI / PMS) : 1 El pistón está unido a un mecanismo biela – manivela que convierte el movimiento lineal alternativo en rotativo uniforme sobre un eje. La manivela se denomina cigüeñal, pues es el mismo eje, que tiene una forma especial para cada uno de los cilindros que constituyen el motor. El cigüeñal gira en una cavidad denominada cárter. El pistón, en su PMS, deja una pequeña cámara en la que se produce la combustión del fluido combustible, por eso se denomina cámara de combustión en los MEP, y de compresión en los MEC. Para poder introducir el combustible y extraerlo (tras la combustión) se colocan las válvulas de admisión y escape, respectivamente. El movimiento de las válvulas está sincronizado con el del pistón mediante los mecanismos adecuados de transmisión y transformación de movimientos (levas, balancín, etc.) La diferencia principal entre los MEP (gasolina) y los MEC (diesel) consiste en que en los primeros, la combustión tiene lugar gracias a la producción de una chispa. Esta chispa se produce de forma eléctrica entre los electrodos de una bujía, a la que se le aplica corriente. En el caso de los MEC, la combustión se origina por una fuerte compresión del combustible, por lo que no es necesario el empleo de bujías. Funcionamiento El ciclo básico de funcionamiento de este tipo de motores se realiza en cuatro 4 fases. En este caso se denominan: • Admisión del combustible • Compresión • Explosión y Expansión • Escape de gases quemados Con pequeñas variaciones según el tipo de motor (MEP o MEC) Tanto para los motores MEP como los MEC, existen dos formas de realizar el ciclo térmico, en función de las carreras del pistón empleadas, dando lugar a los motores de 4 tiempos y de 2 tiempos. Motores de 4 tiempos Se emplean 4 carreras del pistón para completar las 4 fases del ciclo. Partimos de la posición del pistón en su PMS.
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Admisión: al descender el pistón, crea un vacío, con lo que, al abrir la válvula de admisión: En los MEP normales (no de inyección) entra mezcla aire + combustible En los MEC y MEP de inyección, entra aire Compresión: una vez que el pistón está en su posición PMI y el cilindro está lleno de fluido, se cierra la válvula de admisión y se comienza la carrera ascendente del pistón, que comprime el fluido. Explosión: el pistón está en el PMS, por lo que el fluido está comprimido al máximo y a gran Tª. En los MEP, se produce la chispa que provoca la combustión En los MEP de inyección, además, se inyecta el combustible pulverizado. En los MEC se inyecta el combustible pulverizado que, al contacto con el aire caliente se inflama. En todos los casos, la inflamación de combustible provoca la expansión del fluido, empujando al émbolo hacia el PMI. Es la fase en la que se produce un trabajo útil. Escape: la válvula de escape se abre y el émbolo, al pasar del PMI al PMS, empujando los gases quemados al exterior. Motores de 2 tiempos En estos motores, la constitución física varía ligeramente. En vez de válvulas de admisión y escape, tienen lumbreras, que son taladros realizados en las paredes del cilindro y que quedan abiertos o cerrados en función de la posición del pistón. Por otro lado, el cárter se emplea como cámara de admisión y precompresión, por lo que la mezcla debe contener, además, un aceite que sirva de lubricante para las piezas móviles (cigüeñal, biela, etc.). El cárter está unido a la cámara superior del cilindro mediante un conducto denominado lumbrera de carga, para poder transportar los gases precomprimidos. En este caso partimos del pistón en su PMI. 1er tiempo: con el pistón en la PMI, la lumbrera de admisión está cerrada y la de carga y escape abiertas. Según asciende el pistón, se cierran las lumbreras de carga y de escape. Comprimiendo la mezcla situada en la cámara de compresión. También se abre la lumbrera de admisión, con lo que la mezcla nueva se carga en el cárter. Cuando el pistón alcanza la PMS se produce la explosión de la mezcla comprimida en la cámara de compresión. 2º tiempo: la explosión provoca la expansión del gas y el desplazamiento del pistón hacia la PMI. Esto produce el trabajo útil. En dicha carrera se cierra la lumbrera de admisión y se precomprime la mezcla en el cárter. Se abre, además, la lumbrera de escape, expulsándose los gases quemados. Posteriormente se abre la lumbrera de carga y la mezcla precomprimida pasa a la cámara de compresión. Al entrar los gases nuevos, éstos arrastran a los gases
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quemados. Para evitar que se pierdan gases frescos, la superficie del pistón se diseña con una forma especial para conducir correctamente el flujo de gases, alejando los frescos de la lumbrera de escape. El motor de 2 tiempos presenta ciertas ventajas sobre el de 4: • • • • • •
mayor potencia, a igual carrera y para la misma velocidad doble frecuencia de impulsos de trabajo útil (1 impulso/vuelta frente a 2 vueltas/impulso en los de 4 tiempos) mayor facilidad de fabricación menor consumo menor emisión de gases nocivos mayor sencillez en el motor (más pequeños y ligeros)
En los motores diesel (MEC) estas diferencias no son tan acusadas como en los de gasolina (MEP). Visto el funcionamiento, veamos cómo son los ciclos térmicos teóricos de estos motores. Ciclo Térmico del Motor de Gasolina (Ciclo OTTO) Los ciclos térmicos de los motores de explosión tienen 6 fases. Aunque se suelen representar las cuatro principales (de la 2 a la 6, sin la admisión ni el escape). Partimos del pistón en su PMS. 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6
6 1
Admisión: Se llena el cilindro, teóricamente a presión constante (isobárico) Compresión: el gas se comprime adiabáticamente consumiendo trabajo, al pasar el pistón de su PMI a la PMS. Explosión: justo en el momento de la inflamación, el volumen permanece constante y aumenta drásticamente la presión (calentamiento isócoro) absorbiendo calor (QA) Expansión: Al desplazarse el pistón hasta su PMI, empujado por el gas. Es una transformación adiabática, por lo que se produce un trabajo W. Escape Isócoro: Justo al abrir la válvula de escape, se produce un enfriamiento rápido a volumen constante (isócoro) al ceder calor (QB) de los gases calientes que escapan a los alrededores. Se produce hasta que se llega al equilibrio de presión y se inicia el ascenso del pistón. Escape Isobárico: El cilindro se vacía completamente, una vez establecido el equilibrio entre el sistema y los alrededores. El pistón asciende.
En realidad en la admisión se consume un trabajo (necesario para hacer entrar el gas, por succión) y en el escape isobárico se produce un trabajo igual y de signo contrario, compensándose. El trabajo útil es la diferencia entre el producido en la expansión adiabática y el consumido en la compresión adiabática. Wútil = Wexp – Wcomp
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Ciclo Térmico del Motor de Gasóleo (Ciclo DIESEL) 1 2 2 3 3 4
4 5 5 6
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Admisión: Se llena el cilindro de aire puro a presión atmosférica y constante (isobárico) Compresión: el gas se comprime adiabáticamente consumiendo trabajo, al pasar el pistón de su PMI a la PMS. La compresión es muy grande, elevando mucho la Tª del aire. Expansión Isobárica: cuando el pistón inicia su descenso, se inyecta el combustible, con lo que aumenta el volumen pero se compensa con la mayor cantidad de gas, manteniendo la presión constante. El combustible se inflama y se produce una pequeña cantidad de trabajo. A la par que el fluido recibe calor de la propia combustión (QA). Expansión Adiabática: el pistón se desplaza hasta su PMI, empujado por el gas. Es una transformación adiabática, por lo que se produce la mayor cantidad de trabajo. Escape Isócoro: Justo al abrir la válvula de escape, se produce un enfriamiento rápido a volumen constante (isócoro) al ceder calor (QB) de los gases calientes que escapan a los alrededores. Se produce hasta que se llega al equilibrio de presión y se inicia el ascenso del pistón. Escape Isobárico: El cilindro se vacía completamente, una vez establecido el equilibrio entre el sistema y los alrededores. El pistón asciende.
El trabajo útil es la diferencia entre el producido en las expansiones isobárica y adiabática y el consumido en la compresión adiabática. Wútil = Wexp isobárica + Wexp adiabática – Wcomp
P
QA
P
4
3
W2
4 explosión W3
QA
W2
5 5
explosión
3
W1
Q=0
W1
QB
QB
1
2, 6 admisión escape
1 Q=0 V
2, 6 admisión escape
Q=0 V
En los correspondientes diagramas P – V, se pueden observar las diferencias. Ciclo Otto
Ciclo Diesel
Las principales diferencias entre ambos motores son: • Los diesel requieren mayor tamaño y robustez, por soportar mayores esfuerzos. • Constructivamente, la cámara de compresión ha de ser pequeña (para lograr una elevada presión) y los pistones más grandes (para soportarla) • El tiempo de combustión del gasóleo es independiente de la velocidad, por lo que no se limita el empleo a altas velocidades. • Los diesel presentan mayor ruido y vibraciones Por el contrario, las ventajas de los motores diesel son:
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• • • • •
Los diesel consumen un 30% menos que los de gasolina Tienen un mayor rendimiento térmico (a igual calor, generan más potencia) La combustión es más completa y con menos residuos. El motor es más robusto y necesita menos mantenimiento. No se producen vapores inflamables, evitando el peligro de incendio.
Técnicas de Aumento de Potencia: Sobrealimentación (Esto es para nota) Dado que la inflamación del combustible es la que produce la energía que acciona el motor, si se introduce una mayor cantidad de combustible, se tendrá más energía y, por tanto, más potencia. Al introducir más combustible es preciso introducir también más aire, pues es el vehículo que facilita la combustión. Sin embargo, dado que las dimensiones del cilindro son las mismas, la única forma de aportar más aire, es haciéndolo a presión. Así surge la idea de añadir un compresor antes de la admisión. Sin embargo, un compresor consume energía para realizar su trabajo. Dicha energía necesaria se obtiene del aprovechamiento del calor y presión residual de los gases de escape, mediante su aplicación en una turbina que, extrae un trabajo de éstos, para aplicar al compresor. La asociación turbina – compresor, se denomina turbocompresor, y es el sistema empleado en los motores turbo o turboalimentados. Una limitación de este sistema, procede del hecho de que el compresor proporciona aire a alta presión pero también a alta Tª, lo que impone restricciones al motor, incluso al aumento de potencia. Para subsanarlo, se reduce la Tª, sin reducir la presión, mediante un intercambiador de calor. También conocido por su denominación inglesa intercooler. Conviene aclarar que no se mejora el rendimiento, que sigue siendo el mismo, sólo la potencia. Aplicaciones de los Motores de Explosión Son los motores térmicos más difundidos. Los utilizan prácticamente todos los vehículos (automóviles, motocicletas, camiones, etc.) Además de barcos, pequeñas embarcaciones, locomotoras... Los motores diesel se emplean principalmente en vehículos pesados que requieren grandes potencias: camiones, autobuses, vehículos agrícolas, locomotoras, barcos, instalaciones fijas, grupos generadores de electricidad, etc. Además, excepto en los vehículos más ligeros, se suelen preferir motores diesel de 2 tiempos. También están teniendo una gran aceptación en la industria automovilística. Los motores de encendido por chispa se prefieren en vehículos más ligeros (automóviles, motocicletas, ciclomotores, aviones pequeños, etc.) En las motocicletas y sobre todo en ciclomotores también se emplean de 2 tiempos. Se puede citar que existen numerosas investigaciones para la obtención y empleo de distintos combustibles, menos contaminantes y renovables. 5.2 TURBINA DE GAS
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Los motores de explosión, al igual que ocurría con la máquina de vapor, producen un movimiento alternativo que es preciso convertir en continuo. La turbina de gas combina la filosofía de la turbina de vapor, sustituyendo el vapor a presión por un gas a alta presión producido por la inflamación de un combustible (es decir, el principio de los motores de explosión). Constitución Física y Funcionamiento: Posee una entrada directa del aire atmosférico, que se hace pasar por un compresor, que lo eleva la presión y, en cierta medida, la Tª. El aire a presión se conduce a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible vaporizado introducido a presión mediante una bomba y a través de un quemador (boquilla inyectora) La mezcla se inflama mediante una chispa procedente de una bujía y se expande rápidamente, conduciéndose, a alta velocidad, hacia la parte posterior, donde choca contra los álabes de una turbina. La turbina está unida por su eje al compresor, proporcionándole el giro necesario, y consumiendo entre el 65 y el 75% del trabajo obtenido. El trabajo neto resultante se puede utilizar de diferentes formas: • Moviendo una hélice unida el mismo eje: es el caso de los turbopropulsores o turbohélices. La turbina se diseña para obtener la máxima energía mecánica posible. • Directamente produciendo un chorro de gas a presión que produce el empuje necesario para mover el vehículo (generalmente un avión). Es el caso de los turborreactores. En éstos, la turbina se diseña para extraer únicamente el trabajo mecánico necesario para mover el compresor y otros sistemas auxiliares. El ciclo térmico que realizan las turbinas de gas se corresponde con al ciclo de Brayton, similar al de Carnot, pero sustituyendo las transformaciones isotérmicas por isobáricas. Aplicaciones La turbina de gas se emplea principalmente en aeronáutica, para la propulsión de aviones, cohetes, misiles, etc. Pero también se emplea en centrales generadoras de electricidad, cuando las potencias a generar son bajas (inferiores a 100MW), ya que para centrales mayores se obtiene un mejor rendimiento con turbinas de vapor. En marina se emplean en embarcaciones rápidas y de recreo, así como en overcrafts. 6. MÁQUINAS TÉRMICAS INVERSAS (REFRIGERADORAS) Son máquinas basadas en el ciclo térmico de Carnot, pero recorrido en modo inverso. Por tanto, se trata de extraer calor de un foco frío, para aportárselo al foco caliente, mediante, según el 2º principio de la termodinámica, la aportación de un trabajo (signo negativo). Los dos tipos de máquinas térmicas inversas o refrigeradoras funcionan igual, aunque tienen propósitos, a priori, diferentes. Así, una máquina frigorífica pretende mantener un espacio refrigerado (a baja Tª), quitándole calor. Calor que es aportado a un foco caliente externo a la máquina (generalmente el ambiente)
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Mientras que las bombas de calor, pretender mantener un espacio caliente, aportándole más calor. Calor que es extraído de un foco frío externo a la máquina (generalmente el ambiente). Por tanto, ambas funcionan igual, lo que facilita el estudio, pues las diferencias son pequeñas. Constitución Física Un circuito refrigerador consta de los siguientes elementos: Compresor: Condensador o intercambiador: es un serpentín (tubo fino) por el que circula el fluido y cede calor al foco caliente. Evaporador o enfriador: es también un serpentín por el cual el fluido absorbe calor de los alrededores. Expansor: permite la expansión del fluido, reduciendo la presión. Puede consistir en una válvula expansora o en una turbina, según sea un sistema de vapor o de gas. Existen, como vemos, dos tipos de sistemas de refrigeración, los de vapor y los de gas. • Los de vapor son aquellos en los que el fluido cambia de estado a lo largo del ciclo. Son los más usuales. • Los de gas son aquellos en los que el fluido se encuentra siempre en estado gaseoso. Emplean un ciclo de Brayton invertido, tienen un COP menor y se emplean en casos que requieran muy bajas temperaturas del foco frío. Los fluidos refrigerantes son especiales para este tipo de máquinas. Se denominan fluidos criogénicos, y deben cumplir una serie de condiciones para que el rendimiento sea el adecuado: • Presión de evaporación alta, y mayor que la atmosférica • Calor latente de vaporización lo más alto posible • Calor específico en estado líquido muy pequeño • No debe reaccionar químicamente con otros fluidos de la instalación Funcionamiento (del sistema frigorífico de vapor) • • • •
El fluido (en fase de vapor) es comprimido en el compresor, aumentando la presión y la Tª. (Compresión adiabática). Consume, para ello, un trabajo. El vapor a presión y alta Tª entra en el condensador y, a Tª constante, cede calor a la atmósfera y pasa a estado líquido. (Compresión isotérmica) Se pasa el fluido (en estado líquido) por una válvula de expansión que produce una disminución de la presión y la Tª, sin intercambio de calor (expansión adiabática). El líquido refrigerante, a baja presión y baja Tª, pasa por el evaporador, absorbiendo calor para pasar a fase de vapor (estado de equilibrio del fluido), pero sin aumento de Tª (el calor se aprovecha sólo para el cambio de estado expansión isotérmica). Con esto se cierra el ciclo y el fluido vuelve a entrar en el compresor.
En la figura siguiente se observa mejor el ciclo seguido:
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P
Q=0 Q=0 CONDENSADOR
3 Líquido a alta presión
QA
2 Vapor a alta presión TA = cte
VÁLVULA EXPANSORA
W QB
Líquido a baja presión4 EVAPORADOR
COMPRESOR TB = cte
1 Vapor a baja presión V
Ciclo de Carnot invertido de una máquina refrigeradora por compresión de vapor
En la Máquina Frigorífica, el evaporador se sitúa, por tanto, en el recinto a refrigerar, con lo que absorbe el calor del ambiente de éste, enfriándolo. Sin embargo, en la Bomba de Calor, el evaporador se sitúa en el exterior del recinto y el condensador en el interior, pues se trata de aportar calor. No obstante, dado que la principal aplicación de las bombas de calor es en sistemas de climatización, se suele requerir la posibilidad de invertir su funcionamiento, comportándose también como máquina frigorífica. Con el fin de facilitar la inversión del sistema, se coloca una válvula inversora que cambia el sentido del flujo del fluido. Además, tanto el evaporador como el condensador, tienen un comportamiento dual, según el sentido de funcionamiento. En la bomba de calor, el COP ideal funcionando como refrigerador (idéntico al de la máquina frigorífica) será: COPmax = QB / W = TB / TA – TB Mientras que funcionando como calentador será: COPmax = QA / W = TA / TA – TB Tanto en los sistemas refrigeradores como en los calefactores es importante, para un buen rendimiento, que el recinto acondicionado permanezca lo más aislado posible, para no sufrir pérdidas ni aportaciones de calor que disminuyan el COP real del sistema global. Aplicaciones La máquina frigorífica se emplea en frigoríficos, congeladores, cámaras frigoríficas industriales, sistemas de aire acondicionado, etc. La bomba de calor se emplea, como hemos dicho, principalmente en sistemas de climatización para invierno y verano, con la posibilidad de invertir el funcionamiento. Sin embargo, aunque la refrigeración es bastante económica, no lo es tanto la calefacción, por lo que se pueden hacer necesarios sistemas auxiliares.
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