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MÁQUINAS TÉRMICAS
Los motores térmicos producen trabajo aprovechando la energía de los cuerpos que
se encuentran a una temperatura elevada. A este tipo pertenecen los motores de combustión, en el que el medio de trabajo o sustancia a la que se le va a extraer la energía térmica ha adquirido su alta temperatura aprovechando el calor desprendido de una combustión.
MOTORES TERMICOS
COMBUSTION INTERNA
Alternativos
De explosión
Diesel
De explosión .
Rotativos
Los motores de combustión interna pueden clasificarse atendiendo a diferentes conceptos:
•
Por la forma de iniciar la combustión: Motores Otto (motores de explosión:
encendido por chispa) y motores Diesel (encendido por compresión)
•
Por el ciclo de trabajo: Motores de 4 tiempos y motores de 2 tiempo.
•
Por el movimiento del pistón: Motores de pistón alternativo y motores de pistón
rotativo.
MOTORES ALTERNATIVOS.
El motor de combustión interna alternativo es una máquina térmica de desplazamiento positivo que permite la transformación de energía térmica obtenida mediante un
proceso de combustión en el propio fluido operante, en energía mecánica mediante el
movimiento lineal de un émbolo. El fluido comprime y expande un volumen cerrado
deformable formado por el cilindro, el pistón y la culata.
ELEMENTOS DE M. COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO
a.
b.
e.
d
e.
f
g
h
Bloque de cilindros: constituye la estructura del motor sobre la que se apoyan
los distintos elementos que lo conforman. Aquí se alojan directamente los cilindros y el cigüeñal.
Cilindro: tiene como función guiar al émbolo (pistón) en su movimiento alternativo.
Culata: es el elemento que permite la renovación del fluido de trabajo. Se encuentra unido al bloque de cilindros mediante un conjunto de espárragos y una
junta, con lo que se consigue una cavidad estanca.
Válvulas: son los elementos encargados de abrir y cerrar los conductos de admisión y escape.
Émbolo: también llamado pistón, es el elemento móvil que trabaja desplazando,
dentro del cilindro.
Segmentos: son unos aros elásticos que se alojan en la parte superior del pistón
que permiten la estanqueidad y rascan el aceite que lubrifica el cilindro.
Bulón: es un eje que conecta el pistón con la biela.
Biela: es el elemento encargarlo de transmitir la energía mecánica entre el pistón
y el cigüeñal.
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i
j.
k
l
Cigüeñal: transforma cl movimiento alternativo de los pistones en otro rotativo.
Cojinetes: piezas de sacrifico que se colocan entre los distintos elementos biela
manivela con la misión de evitar desgastes.
Sistema de distribución: todos los elementos que permiten la apertura y el cierre de las válvulas en el momento oportuno.
Árbol de levas: es un eje en el que se conforman las levas, cuyo perfil hace levantar las válvulas.
MOTORES DE EXPLOSIÓN
El motor de explosión, de encendido por chispa, comprende dos modalidades: el de
cuatro tiempos y el de dos tiempos. El motor propiamente dicho está constituido para
uno o varios cilindros provistos de un émbolo móvil, cada uno de los cuales está cinemáticamente ligado a un cigüeñal por sendos sistemas de biela-manivela. Mediante un dispositivo denominado carburador se consigue una mezcla de aire con gasolina pulverizada. Si bien la explosión se debe a una chispa generada por una bujía, desde 1965, se ha
generalizado la técnica de inyección de gasolina que se impone por garantizar un mayor
rendimiento energético de la explosión, de la que se deriva una economía sensible en el
consumo.
El motor de dos tiempos presenta, en condiciones similares de cilindrada. número
de cilindros, etc.. doble de potencia que el de cuatro, pero presenta el inconveniente de
que su potencia queda algo disminuida por las deficiencias de barrido de los gases producidos en la combustión. Estos motores no presentan válvulas lo cual supone una eliminación de complicaciones mecánicas.
Primer tiempo: se produce la combustión, expansión de los gases y descenso del
pistón; llega un momento en que éste descubre la lumbrera de escape. al mismo tiempo
que comprime por su parte inferior los gases, empujándolos a través de la galería de trasiego o paso hacia el cilindro.
Segundo tiempo: sube el pistón. descubriéndose la lumbrera de admisión. si como
es normal no lleva válvulas. Se cierra a continuación la galería y la lumbrera de escape y
se produce la compresión de los gases.
MOTORES DIESEL
En 1892, el ingeniero alemán n Rudolf Diesel patenta cl primer motor de encendido de compresión construido con éxito en 1897. Desde 1945 el motor diesel rápido perfeccionado paulatinamente con reducciones en las relaciones peso/ponencia en importantes mejoras en los sistemas de inyección, ha desplazado al de gasolina. cuyo uso se reduce a motores ligeros de menos de 5 CV. Existen motores diesel de dos tiempos (llamados
de acción simple) y de cuatro tiempos (más habituales). Los primeros presentan un barrido defectuoso, por lo que necesitan mejores sistemas de engrase y refrigeración .
El motor diesel de cuatro tiempos presenta similitudes al de gasolina. Se pueden establece, las siguientes fases del ciclo:
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1. Admisión: En esta fase entra aire en el cilindro (sin mezcla de combustible que
es succionado por el pistón en su movimiento de descenso
2. Compresión: Después de alcanzar el pistón cl extremo inferior, y una vez se cierren las válvulas de admisión, cl cilindro inicia su ascenso comprimiendo cl aire
hasta llegar al punto más alto de la carrera. La relación de compresión varía entre
14 y 22.
3. Encendido, combustión y expansión: La elevación de temperatura (440"C) que
acompaña la compresión permite una combustión espontánea al inyectar el combustible. Con las válvulas cerradas, la expansión del gas obliga al pistón a descender hasta el punto muerto inferior (PMI).
4. Escape: Al llegar cl PMI las válvulas de expulsión se abren y los gases se expulsen al exterior.
CICLE DE FUNCIONAMENT D'UN MOTOR DE GASOLINA DE
QUATRE TEMPS
1. Primer temps (admissió). El pistó, en la fase descendent, produeix una depressió
(succió) a l'interior del cilindre, a causa de la qual la mescla airecombustible
entra a gran velocitat a la cambra del cilindre per la tovera d'admissió.
2. Segon temps (compressió). El pistó en el seu recorregut ascendent, comprimeix
l'aire i el combustible de manera que augmenten la pressió i la temperatura de la
mescla.
3. Tercer temps (explosió-expansió). La mescla s'encén poc abans que el cap del
pistó se situa en el PMS, mitjançant una guspira elèctrica (bugia), de manera que
els gasos de la combustió es dilaten ràpidament i produeixen una ona de pressió
que desplaça el pistó cap avall.
4. Quart temps (escapament). El pistó, en el seu recorregut ascendent, empeny i
expulsa els gasos de la combustió fora el cilindre. La vàlvula de la tovera
d'escapament s'obre instants abans que es produeixi el moviment d'ascensió.
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El cicle de funcionament d'un motor diésel difereix de 1'anterior en els temes
d'admissió (solament s'aspira aire als cilindres) i en 1'explosió (es produeix de manera
espontània a causa de les altes pressions i temperatures de 1'interior dels cilindres).
A diferència dels motors de dos temps, en els diésel el cicle per pistó es du a terme en
completar el moviment alternatiu dues vegades, dos moviments de pujada i dos de
baixada, i aixó permet establir que per a un cicle complet el cigonyal haurá fet dues
voltes de rotació.
El cicle de dos temps s'utilitza tant en motors Diesel com en motors de gasolina: els
primers en alguns motors industrials i els segons en motocicletes, motoserres, etc.
A diferencia del motor de quatre temps, el motor de dos temps fa una sola volta de
cigonyal per completar el cicle.
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MOTORES ROTATIVOS DE EXPLOSIÓN.
El motor Wankel cuya patente data de 1936, se diferencia enormemente de los motores convencionales; utiliza, en vez de un pistón, de un cilindro y de válvulas mecánicas, un rotor triangular que gira alrededor del excéntrico
Las ventajas teóricas de estos motores frente a los alternativos son las siguientes:
•
Su distribución uniforme, regular y ausente de
fuerzas alternativas facilita un diseño más equilibrado.
•
Su volumen es menor, así como su relación peso/potencia.
•
Ausencia de espacios muertos.
•
Inexistencia de válvulas y menor número de piezas. lo que contribuye a su simplicidad constructiva.
•
Funcionamiento continuo, dando un empuje constante lo que teóricamente va asociado a un rendimiento
más alto.
Sin embargo también se pueden anotar algunos inconvenientes que hacen que su empleo sea más bien escaso:
•
problemas de estanqueidad para no perturbar las
fases del ciclo.
•
Dificultad de conseguir una eficaz refrigeración.
•
Gradientes elevados de temperatura de la zona
caliente de explosión y escape (más de 1000°C) respecto
a las otras (unos 150°C).
•
Baja eficacia en el uso del combustible y necesidad de estar perfectamente sincronizado
Cicle de funcionament
En el motor rotatiu, la successió de fases té lloc d'una
manera molt similar a com succeïa en el motor alternatiu:
s'hi distingeixen també una adimissió, una compressió,
una explosió i un escapament dels gasos cremats.
1. Admissió.
2. Compressió.
3. Explosió i expansió.
4. Escapament
Quan pel flanc A s'està iniciant l'admissió de la mescla (aire + gasolina), a la cambra
tancada del flanc B, plena de gasos frescos, aquests es comprimeixen. Quan la
compressió arriba a un punt determinat es produeix la combustió de la mescla, la qual
produeix una ona de pressió (expansió) que fa girar el pistó. Al mateix temps, els gasos
cremats de la cambra al flanc C són expulsats per la tovera d'escapament cap a l’exterior.
Abans que es produeixi l'expulsió total dels gasos cremats, s'inicia pel mateix flanc
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l'admissió duna nova mescla que fa possible la repetició del cicle. Com es pot observar,
en aquest motor els temps es produeixen de manera simultània.
Màquina frigorífica
La majoria de màquines frigorífiques d'ús industrial son de compressió mecànica.
Fonamentalment consten d'un compressor un condensador, un evaporador i una vàlvula
d'expansió.
Elements i funcionament d'una màquina frigorífica
• Un compressor mecànic, amb un motor la funció del qual es aspirar el fluid
termodinàmic (que recorre el cicle tancat) i comprimir-lo des de la pressió P, fins a una
pressió P´ tal que la temperatura de condensació T corresponent sigui superior en alguns
graus a la temperatura del fluid de refredament T´.
•
Un
intercanviador
(condensador), en general tubular, per
on circulen, per un costat, el fluid
termodinàmic impulsat pel compressor
i; per l'altre conducte, el fluid de
refredament (salmorra o aire).
Aquest últim fará
que el vapor del fluid termodinàmic es
condensi i cedeixi calor (Q). En
conseqüència, la temperatura de sortida
d'aquest fluid de refredament serà T´+
T (inferior en alguns graus a T).
• Una vàlvula, o sistema d'expansió
(descompressor), la missió de la qual es
disminuir la pressió de P a P´ amb la
consegúent disminució de la temperatura en produir-se una brusca estrangulació en el
conducte del fluid.
• Un intercanviador (evaporador), en general tubular, per on circulen per un cos el fluid
termodinàmic i per l’altre el fluid que s’ha de refredar. Aquest últim prové dels punts
d'utilització on ha absorbit calor i, per l'altre costat, el fluid termodinàmic que s'evapora a
la temperatura T, sota la pressió P. En el procés, la salmorra (o aire) pren la calor
necessària (Q'), es a dir, subministra frigories. La salmorra (o l'aire) entra a una
temperatura T+ T' i surt a una temperatura i T', (superior a T)). La quantitat de
quilocalories absorbida en aquesta evaporació representa la producció frigorifica bruta.
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