Subido por Lucas Garcia Alvarez

Tema 3. Máquinas térmicas, funcionamiento, clasificación y aplicaciones

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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
TEMA 3: “Máquinas térmicas: funcionamiento,
clasificación y aplicaciones”
Esquema:
TEMA 3: “Máquinas térmicas: funcionamiento, clasificación y aplicaciones”...................................1
1.- Introducción..............................................................................................................................2
Clasificación...............................................................................................................................3
2.- Clasificación de las máquinas térmicas..................................................................................3
2.1.- Elementos fundametales de los motores de combustión interna.....................................5
3.- Termodinámica aplicable a máquinas térmicas....................................................................7
3.1.- Principios termodinámicos................................................................................................7
3.2.- Conceptos termodinámicos básicos..................................................................................7
3.3.- Ecuaciones y transformaciones termodinámicas básicas................................................8
3.3.1.- Criterio de signos....................................................................................................................................8
3.3.2.- Transformación Isóbara o a presión constante: p=cte.......................................................................9
3.3.3.- Transformación Isócora o a volumen constante: v=cte......................................................................9
3.3.4.- Transformación Isotérmica o Temperatura constante: T=cte...........................................................9
3.3.5.- Transformación Adiabática o Isentrópica: .........................................................................................9
3.4.- Ciclos termodinámicos teóricos........................................................................................9
Ciclo de Carnot................................................................................................................................................10
4.- Máquinas térmicas: funcionamiento y aplicaciones............................................................10
4.1.- Motores térmicos de desplazamiento positivo.................................................................10
4.1.1.- Alternativos...........................................................................................................................................10
4.1.1.1.- Máquina de vapor (combustión externa).......................................................................................10
4.1.1.2.- Motores de encendido por compresión (Diesel)............................................................................15
Ciclo Diesel Teórico y ciclo de Sabathé................................................................................................16
4.1.1.3.- Motores de encendido provocado por chispa (Otto, Gasolina).....................................................17
Ciclo de Otto..........................................................................................................................................19
4.1.1.3.1.- Rendimiento térmico del motor de gasolina.........................................................................19
4.1.2.- Rotativas................................................................................................................................................19
4.1.2.1.-Motor Trocoidal (Wankel)..............................................................................................................19
4.1.3.- Balance de rendimientos......................................................................................................................20
4.2.- Motores térmicos de flujo continuo................................................................................21
4.2.1.- Rotativos................................................................................................................................................21
4.2.1.1.- Turbina de vapor (combustión externa).........................................................................................21
4.2.1.2.- Turbinas de gas de ciclo cerrado...................................................................................................22
4.2.1.3.- Turbinas a gas de ciclo abierto: ....................................................................................................22
4.2.1.3.1.- Cohetes químicos..................................................................................................................23
4.2.1.3.2.- Aerorreactores......................................................................................................................24
Ciclo de Brayton..........................................................................................................................................24
4.2.1.3.2.1.- Estatorreactor................................................................................................................25
4.2.1.3.2.2.- Pulsorreactor.................................................................................................................25
4.2.1.3.2.3.- Turbocompresores........................................................................................................25
Turborreactor........................................................................................................................................25
Turbo-fan...............................................................................................................................................26
Turbo-hélice...........................................................................................................................................26
4.3.- Compresores de desplazamiento positivo........................................................................27
4.3.1.- Alternativos...........................................................................................................................................27
4.3.1.1.- Compresor de émbolo y sistemas de refrigeración........................................................................27
4.3.2.- Rotativos................................................................................................................................................28
4.3.2.1.- Compresor de lóbulos o de Roots..................................................................................................28
4.3.2.2.- Compresor de paletas o rotativo multicelular................................................................................29
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
4.3.2.3.- Compresor de espiral (tipo G).......................................................................................................29
4.4.- Compresores de flujo continuo.......................................................................................29
4.4.1.- Rotativos................................................................................................................................................29
4.4.1.1.- Compresor de turbina y Turbocompresor......................................................................................29
1.- Introducción
La evolución histórica de la ingeniería térmica empieza con el dominio
del fuego que, en sus principios, servía para calentarse y como medio de
iluminación. Ya por el 10000 a.C. empiezan a utilizarlo en la fusión de
metales, la alfarería y cerámica, por medio de hornos. Pero para aquella
época los conceptos termodinámicos son imprecisos: fuego, calor y
temperatura eran poco más que percepciones condicionadas a la mitología.
En Egipto se desarrolla sistemas de refrigeración por evaporación, más
tarde en Creta y Roma, después, se implantan las primeras calefacciones
centrales.
En el siglo I, Herón de Alejandría construye la que es considerada
como la primera máquina térmica de la historia, la Eolípila, es una
máquina constituida por una cámara de aire (generalmente una esfera o un
cilindro), con tubos curvos por donde es expulsado el vapor. La fuerza
resultante por esta expulsión hace que el mecanismo comience a girar,
según la ley de acción-reacción. Normalmente, el agua es calentada en
otra cámara, y unida a la anterior mediante tubos por donde pasa el vapor,
aunque también puede ser calentada en la misma cámara desde donde se
expulsa el vapor. Se empleaba como juguete o entretenimiento.
En el siglo IX, en China, si bien no llega a Europa hasta el siglo XII, se
inventa la pólvora para realizar fuegos artificiales y armamento, llevando
a la construcción de los primeros proyectiles (cohetes).
En 1480, Leonardo da Vinci, dibuja una máquina que funciona con el calor de una chimenea. Si
bien, algunos autores atribuyen este invento a Arquímedes. Consistía en una máquina que
acoplada a un torno de chimenea proporcionaba un giro al jabalí que se estaba cocinando.
Tras los avances técnicos de Lavoissier (1772) con el tratado elemental de química, Fourier
(1822) con la teoría analítica del calor y Carnot (1824) con las reflexiones sobre la potencia motriz
del fuego; se considera el nacimiento de la termodinámica con los postulados de los dos principios
básicos, desarrollada por Mayer, Joule, Clausus, Helmholtz y Kelvin.
Después los inventos destacados:
•
•
•
•
•
•
•
Faraday (1840), en la producción de frío consigue -110ºC.
Lenoir, en 1860, con el motor de combustión interna de encendido provocado de 2 tiempos.
Brayton (1873) la turbina a gas.
Beau de Rochas en 1862 y Otto (1867) con el motor de 4 tiempos.
Diesel en 1892, desarrolla el motor que lleva su nombre
Paulet (1896), motor de cohete con aplicación militar.
Laval y Parsons en el final del siglo XIX, la turbina a vapor.
Uno de los problemas de la ingeniería es la transformación de unas fuentes de energía en otras
que sean más fácilmente aprovechadas por el hombre.
Una máquina es el conjunto de mecanismos combinados que tienen como misión convertir o
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
transformar una forma de energía con unas condiciones concretas en otra, o en la misma pero con
otras condiciones. (Q → W)
Clasificación
Por lo tanto una primera clasificación de las máquinas podría ser en función de las fuentes
de energía utilizadas en:
●Máquinas
de fluido
hidráulicas
○Máquinas térmicas
●Máquinas eléctricas
○Máquinas
Dentro de cada tipo se pueden dividir en función de si producen energía mecánica o si la
utilizan:
●Máquinas
motoras o motores
generadoras o generadores
●Máquinas transformadoras o transformadores
●Máquinas
2.- Clasificación de las máquinas térmicas
Las máquinas de fluido son un conjunto de elementos mecánicos que tienen como función
el intercambio de Energía mecánica a o desde energía térmica o hidráulica de un fluido.
Máquina térmica es aquella que convierte energía térmica en mecánica y viceversa.
Una primera clasificación de éstas sería en función del sentido de la transformación:
●Motores térmicos. Los motores térmicos son aquellas máquinas en las que la forma de
energía que se emplea es la térmica, para obtener energía mecánica.
●Generadores térmicos o compresores. Por el contrario, los generadores térmicos son aquellas
máquinas que desde la energía mecánica, se transforma en energía térmica. Los generadores
térmicos también reciben el nombre de compresores.
Otra clasificación de las máquinas térmicas es atendiendo a la constitución de las mismas:
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
●Máquinas
rotativas: tienen como principal características que los elementos móviles de las
mismas giran.
●Máquinas alternativas o de émbolo: se ha de hacer una conversión del movimiento
lineal que describen los émbolos en los cilindros a rotativo por mecanismos de bielamanivela. Las máquinas a reacción se basan en la expansión de gases que desplazan gran
cantidad de volumen de aire y gases procedentes de la combustión.
Otra forma de diferenciar las máquinas es por la continuidad del fluido :
●Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas: son aquellas en las que el fluido
está confinado en un espacio concreto en las operaciones de compresión y o expansión.
●Máquinas de flujo continuo: el fluido se comprime y se expande en su paso sin quedar
atrapado.
Una cuarta clasificación que se puede hacer es atendiendo a dónde ocurre la combustión,:
●Máquinas de combustión externa: son aquellas que “queman” el combustible fuera de la
propia máquina, en unas calderas.
●Máquinas de combustión interna: son aquellas en las que el combustible se emplea
dentro de la propia máquina, en las cámaras de combustión.
Esta última no tiene sentido ahora, puesto que salvo la máquina de vapor y la turbina de vapor,
todos las demás son de combustión interna.
Si se resume en una tabla las máquinas de fluido se obtiene lo siguiente:
Alternativas
Motor hidráulico alternativo
1
Rotativas
Motor hidráulico rotativo
2
Rotativas
Turbina hidráulica
3
Alternativas
Bomba de émbolo
4
Rotativas
Bomba de engranajes
5
Rotativas
Turbobomba o de rodete
6
Desplazamiento positivo
Motoras
Flujo continuo
Máquinas hidráulicas
Desplazamiento positivo
Generadoras
Flujo continuo
Máquinas de Fluido
Motor Diesel
Motor de Encendido Provocado
Máquina de vapor
Motor Wankel
7
8
9
10
Rotativas
Turbina de vapor
Turbina de gas
11
12
Alternativas
Compresor de émbolos
13
Rotativas
Compresor de lóbulos
14
Rotativas
Turbocompresor
15
Alternativas
Desplazamiento positivo
Motoras
Rotativas
Flujo continuo
Máquinas térmicas
Desplazamiento positivo
Generadoras
Flujo continuo
1 Cilindros
[email protected]
2 Motor de paletas
3 Turbina Pelton
4 Bomba de émbolo
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
5 Bomba engranajes
6 Turbobomba
7 Motor Diesel
8 Motor Gasolina
9 Máquina de vapor
10 Motor Wankel
11 Turbina de vapor
12 Turbina de gas
13 Comp. de émbolos
14 Comp. lóbulos
15 Turbocompresor
2.1.- Elementos fundametales de los motores de combustión interna
En este apartado nos centraremos en los motores de combustión interna con ciclo Otto y Diesel.
Describimos a continuación los elementos que componen los motores.
Culata: es el elemento que protege la parte superior del motor.(tapa). Aloja las válvulas
y bujías. Junta de culata: Junta que une la culata al bloque motor.
●
Bloque motor: se encuentra entre
la culata y el cárter. Es la parte más
pesada del motor. En él se encuentran
los cilindros, los orificios de
refrigeración y lubricación, así como
los soportes de diferentes piezas del
motor.
●
Cárter: es el elemento que protege
la parte inferior del motor a la vez que
sirve para depósito de lubricante.
●
Cilindro: es un hueco con forma
cilíndrica practicado en el bloque en él
que se realiza la combustión y sobre el
que se desplaza el pistón.
●
Émbolo o pistón: se encuentra en
el cilindro y puede desplazarse sobre
él, transformando la energía térmica de
la combustión (que se realiza sobre su
superficie) en energía mecánica de traslación. Cada desplazamiento del pistón se denomina
carrera ( L ). El valor máximo del cilindro V1 es el PMI y el valor mínimo V2 es el PMS.
●
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
L=V1-V2.
Diámetro
del
pistón
es
el
calibre.
Volúmen
es
la
cilindrada.
Cilindrada=V 1−V 2
Relacción de volúmenes de compresión=r=
V1
V2
Segmentos: son unos aros de un material muy duro y resistente que rodean al pistón y
cierran la cámara de combustión con el cilindro, disminuyendo el rozamiento en cada
carrera.
●
●
Bulón: es el elemento de unión del pistón con la biela.
●
Biela: junto con el cigüeñal, transforma el movimiento rectilíneo del pistón en rotativo.
Cigüeñal: en él están conectadas todas las bielas del motor y transfiere la energía
rotativa a la caja de cambios del motor.
●
Volante de inercia: acumula energía en forma de momento inercia cuando se realiza una
combustión, para cederla al motor cuando la precise, dando la sensación de un movimiento
continuo. Se encuentra en un extremo del cigüeñal.
●
Válvula de admisión: es la válvula que deja pasar los gases de la combustión
(comburente más combustible en los motores Otto o bien, sólo comburente en los motores
Diesel) al cilindro.En los motores de 16 válvulas hay 2 de admisión y 2 de escape para
acelerar el proceso por cada cilindro.
●
●
Válvula de escape: es la válvula que deja salir los gases de la combustión al exterior.
Carburador: sólo es necesario en los motores Otto, en él se produce la mezcla de
comburente y combustible.
●
Bomba de inyección: en los motores Diesel, es el elemento que proporciona al
combustible la presión necesaria para entrar en el cilindro.
●
Bujía: se usa en los motores Otto y es el elemento encargado de proporcionar la chispa
de ignición en el interior del cilindro.
●
Delco: en los motores de combustión interna con ciclo Otto, es el elemento distribuidor
de la corriente de alto voltaje, que hace llegar por turno a cada una de las bujías.
●
Inyector: en los motores Diesel, es el elemento encargado de introducir el combustible
dentro del cilindro en la proporción y presión determinada.
●
Cojinetes: son elementos dispuestos entre dos piezas, una fija y otra giratoria para
reducir el rozamiento entre ellas, aumentando el rendimiento de la máquina y su vida útil.
●
Árbol de levas: es un elemento perfectamente sincronizado con el cigüeñal que permite
la apertura y cierre de las distintas válvulas del motor controlando sus fluidos.
●
Tubo de escape: es el elemento que permite la evacuación de los gases, una vez
quemados, al exterior.
●
Silenciador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la contaminación
acústica que pueden producir estos motores.
●
Catalizador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la emisión de
monóxido de carbono y la emisión de combustible a la atmósfera.
●
●
Embrague: es el elemento que nos permite desconectar y conectar la transmisión de
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
energía mecánica desde el motor al eje de salida.
Caja de cambios: nos permite modificar la relación de transmisión desde el motor a las
ruedas en función de las necesidades.
●
3.- Termodinámica aplicable a máquinas térmicas
Para adquirir una noción completa del funcionamiento de las máquinas térmicas es necesario
hacer un breve repaso de termodinámica.
3.1.- Principios termodinámicos
La termodinámica, como ya se ha comentado con anterioridad, se sustenta en d o s
principios básicos de los cuatro:
El primer principio de la termodinámica es el principio de “conservación de la
energía”: la energía ni se crea ni se destruye únicamente se transforma. que dicho de otro
modo, el calor “Q” es transformable en trabajo “W”, y viceversa, según la relación constante
y quedando el estado termodinámico de un fluido definido por sus condiciones de presión,
temperatura, volumen, energía interna y entropía.
●
El segundo principio de la termodinámica, en el enunciado de Kelvin, confirma que
no existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo
convierta íntegramente en trabajo. Lo que nos lleva pensar que parte de la energía no es
aprovechable. De este principio se saca como conclusión que todas las máquinas van a tener
un rendimiento “no perfecto”, es decir menor que 1. Y que un proceso puede ser reversible o
teorico (invierten su sentido sólo modificando las condiciones externas) y irreversible o real
(donde los estados intermedios no están en equilibrio como los anteriores debido al
rozamiento, etc).
●
3.2.- Conceptos termodinámicos básicos
Por otro lado es importante definir una serie de conceptos inherentes al tema como son:
●
Energía: es la capacidad para realizar trabajo. Se puede clasificar en:
○ Energía potencial: cuando está contenida en un cuerpo o sistema debido a un campo
de fuerzas.
○ Energía cinética: debida al movimiento de cuerpos.
Las formas de energía que interesan en este tema son la mecánica y la térmica, es decir, las
que tienen capacidad para producir trabajo mecánico y calor. Siendo:
Trabajo mecánico: es la fuerza por el desplazamiento. Se mide en julios.
● Potencia: es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Se mide en vatios.
● Calor: es la energía térmica de transición a través de las superficies que limitan al
sistema. Es el trabajo térmico. Se mide en calorías (Ca) siendo la Kcal la energía necesaria
para incrementar en 1ºC un kilogramo de agua.
● Calor específico: es la cantidad de calor para elevar 1ºC, 1Kg de fluido. Existe el calor
específico a volumen constante (Cv) y el calor específico a presión constante (Cp). Siendo:
Cp=Cv+R
● Energía interna (U): es la energía térmica almacenada en el fluido, es la energía
potencial térmica. En un gas depende sólo de su temperatura.
● Entropía (s): es la variación de calor “dQ” respecto de la temperatura “T” absoluta.
●
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
ds=
dQ
T
Rendimiento energético: es la relación que existe entre el calor intercambiado y la suma
de este y las pérdidas al entorno. Dicho de otra forma, es la relación entre la diferencia de
calor entregado a la máquina y la que entrega esta por la energía absorbida total.
Q
−Q perdidas
= entrada
Q entrada
●
3.3.- Ecuaciones y transformaciones termodinámicas básicas
Las ecuaciones que rigen las máquinas térmicas son:
La ecuación de los gases perfectos de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac
siendo “R” constante y “T” en Kelvin.
●
●
●
p⋅v =n⋅R⋅T
Ecuación de la energía: Q1−2=Q 2−Q1 =U 2−U 1  p⋅ V 2 −V 1  siendo: U =c v⋅T ,
h=C p⋅T =U  p⋅v , p⋅v =n⋅R⋅T , W = p⋅v y
El rendimiento =
Q 1−Q2
Q1
Dentro de las transformaciones termodinámicas se destacarán: la isóbara, la isócora, la
adiabática y la isotérmica.
3.3.1.- Criterio de signos
Según estas ecuaciones se debe considerar el
criterio de signos de un sistema que depende de las
condiciones del proceso termodinámico:
Qabsorvido>0 (+)
•
Qcedido<0 (-)
•
Wrealizado>0 (+)
•
Wrecibido por el sistema<0 (-)
En un sistema cerrado →U 1−2=U 2−U 1=0→ W=Q
•
Si → Q>0 y W>0 (expansión)
[email protected]
Si → Q<0 y W<0 (el sistema cede calor)
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
3.3.2.- Transformación Isóbara o a presión constante: p=cte.
Q=n. C p⋅ T 2 −T 1  Entonces, para la misma cantidad
de material:
p 2⋅v 2− p 1⋅v 1=W =n. R⋅ T 2−T 1
h 2−h 1=h 1−2=C p⋅ T 2−T 1 =Q1−2
p 1= p2 ⇒
v1 v2
=
T1 T 2
3.3.3.- Transformación Isócora o a volumen constante: v=cte.
W =0 ,
Q=U 2−U 1=n. C v⋅ T 2−T 1 ,
como v 1=v 2 ⇒
p 1 p2
=
T1 T 2
3.3.4.- Transformación Isotérmica o Temperatura constante: T=cte
W =n. R. T ln
U =0
V2
V1
Q=W
T 1=T 2 ⇒ p1 .V 1= p2 .V 2
3.3.5.- Transformación Adiabática o
Isentrópica:
p⋅v =cte
W =U 1−U 2=n. C v⋅ T 1−T 2 
Q=0

−1

−1
  
T
p
p 1⋅v 1 = p 2⋅v 2 ⇒ 2 = 2
T1
p1

v
= 1
v2
3.4.- Ciclos termodinámicos teóricos
Los ciclos térmicos son el conjunto de transformaciones que termodinámicas que ocurren de
forma periódica a la vez que cíclica. Desde el punto de vista teórico ideal se resaltarán los ciclos de:
Carnot, Otto, Diesel y Sabathé, Brayton y Rankine.
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot tiene un rendimiento máximo para una máquina térmica si bien no realizable de
forma práctica. Por ello se estudian otros ciclos. No realizable con máquinas de vapor porque hay
momentos en los que coexisten estados líquido y vapor.
4.- Máquinas térmicas: funcionamiento y aplicaciones
4.1.- Motores térmicos de desplazamiento positivo
4.1.1.- Alternativos
4.1.1.1.- Máquina de vapor (combustión externa)
Fue el primer motor térmico utilizado con aplicación práctica, gracias al cual se hizo posible la
llamada “Revolución Industrial”. Las aplicaciones que han perdurado han sido la locomotora, junto
con los barcos de vapor. En la actualidad, se fabrican máquinas de vapor para servicios auxiliares y
educacionales, aunque su importancia es testimonial. Si bien, en sus comienzos, se empleó, además
de lo citado anteriormente, en coches, para mover maquinaria industrial, camiones, autobuses...
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
En cuanto a su constitución, la
máquina alternativa de vapor está
formada de uno o varios cilindros en
cuyo interior se mueve un émbolo que va
unido al volante por medio de un vástago
o de un balancín y de una biela. Otro
elemento fundamental de esta máquina
es el distribuidor (formado por el
regulador de Watt y la caja de válvulas)
que es el encargado de abrir la admisión
y el escape, así como de cerrarlo. Así
como un condensador para enfriar el
agua.
El funcionamiento es el siguiente: en
una caldera se genera vapor al quemar
combustible, generalmente madera o
carbón, y calentar el agua. La energía del
vapor es la que se emplea para mover un
émbolo de doble efecto que a su vez
mueve el volante y éste el distribuidor
por medio del mecanismo bielamanivela, transformando el movimiento
alternativo del émbolo al rotativo del
volante. El distribuidor mueve mediante
una excéntrica, colocada en la pared del
cilindro, una válvula corredera que
permite el paso del vapor a uno u otro
lado del pistón, así como la apertura del
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
escape de vapor al condensador. Queda fundamentado termodinámicamente en el ciclo de Rankine.
Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de
émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas, es decir,
atravesadas por un flujo continuo de vapor . En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un
motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado
especialmente por el motor electrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión
interna en el transporte.
El rendimiento de las máquinas de vapor es pobre, del orden del 30%, principalmente por las
pérdidas que se producen en el escape.
Los diversos ciclos que estudiaremos de modo genérico serrán:
➔
Ciclo abierto: el típico ciclo sin condensación, propio de la máquina de vapor.
Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo
abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial).
Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques.
El ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene
agua para la caldera (1). La bomba toma el agua del depósito
y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la
presión atmosférica hasta la presión de la caldera). En la
caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle,
formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte
superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado.
Luego el vapor (a presión) es conducido al motor donde de
expande, produciendo el trabajo W. El motor descarga el
vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el
vapor condensa a 100ºC.
En diagrama p-V en (1) el agua del depósito es líquido. La
bomba aumenta su presión hasta es estado (2). Como lo que se
comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente inferior al
de (1). Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza
primero el estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana
de cambio de fase) y luego comienza la ebullición dentro de la caldera.
Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la
caldera en el estado (3), como vapor saturado. Luego se expande en la
máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la atmósfera. Por
lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen
asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la
temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC).
* Para efectos de comparación, el diagrama anterior lo
inscribimos en su Ciclo de Carnot Correspondiente(las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo
inscriben). Este ciclo tiene como temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura ambiente y
como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). La zona amarilla es muy estrecha.
La pérdida que hay con respecto al potencial es muy elevada. Es por esto que los ciclos abiertos
fueron rápidamente reemplazados con ciclos con condensador (o ciclo de Rankine), pues el
rendimiento es muy superior. Se limitaron a máquinas móviles (locomotoras o locomóviles),
donde no es práctico instalar un condensador pero incluso en los barcos a vapor se tenía
condensador, pues el agua de mar era excelente medio para enfriarlo.
Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye
sobrecalentamiento de vapor.
➔
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se
introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la
eficiencia del ciclo. El efecto es doble:
* Desde el punto de vista termodinámico,
bajamos la temperatura de la fuente fría,
mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.
* Desde el punto de vista mecánico, la
presión en el condensador es muy inferior a
la atmosférica, lo que hace que la máquina
opere con un salto de presiones mayor, lo
que aumenta la cantidad de trabajo
recuperable por unidad de masa de vapor.
La principal diferencia entre un cico de vapor abierto y uno de Rankine es el condensador. En la práctica el
condensador baja la presión contra la cual descarga el expansor. Esto permite mejorar el rendimiento del ciclo,
pues aumenta la diferencia de presiones entre las cuales opera la máquina. Es un ciclo muy empleado en
máquinas simples y cuando la temperatura de fuente caliente está limitada.
La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura.
Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (3) y
comprime el agua hasta la presión de la caldera (4). Este
condensado a menor temperatura de la temperatura de
saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera
primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia
la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera
y luego se conduce el vapor al expansor. En este ejemplo el
expansor es una turbina. Allí se expande, recuperando
trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la
temperatura de condensación (2). El vapor que descarga la
máquina entra al condensador donde se convierte en agua al
entrar en contacto con las paredes de tubos que están
refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se
extrae (3) prácticamente como líquido saturado. Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
En diagrama p-V, en (1) la caldera entrega vapor
saturado, el que se transporta a la turbina. Allí el vapor
se expande entre la presión de la caldera y la presión del
condensador, produciendo el trabajo W. La turbina
descarga el vapor en el estado (2). Este es vapor es
admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y
temperatura constante, evolución (2)-(3),
y del
condensador se extrae líquido condensado en el estado
(3). Luego la bomba aumenta la presión del condensado
de pcond a pcald , evolución (3)-(4) y reinyecta el
condensado en la caldera. Por lo tanto la máquina opera
entre la presión pcald y pcond, las que tienen asociadas la
temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la
temperatura de condensación del agua en el condensador. Esta última presión es inferior a la presión atmosférica.
Comparemos este ciclo de Rankine con su Ciclo de Carnot. Este ciclo tendrá como
temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura del condensador (normalmente ligeramente
superior a la ambiente) y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las áreas
amarillas indican el mismo área aproximadamente que en Carnot. En este caso vemos que la
principal irreversibilidad termodinámica ocurre por la inyección de agua por debajo de la
saturación a la caldera. Esto hace que el ciclo de Rankine se acerca mucho al ciclo de Carnot
[email protected]om
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
teórico. Por lo tanto es un ciclo muy conveniente desde el punto de vista termodinámico.
De la comparación de estos dos ciclos (ciclo de vapor abierto y ciclo de Rankine), es evidente
que es más conveniente utilizar siempre que sea posible el ciclo de Rankine. Sin embargo,
existe otra irreversibilidad termodinámica más importante aún. Además el ciclo de Rankine
tiene el inconveniente de que el vapor sale bastante húmedo de la máquina. Ambos
problemas se tienden a solucionar con el ciclo de Rankine con sobrecalentamiento.
➔
Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento: Se introduce la sobrecalefacción de vapor.
Ya vimos en el punto anterior que un ciclo de Rankine es termodinámicamente muy similar a
su ciclo de Carnot correspondiente. Sin embargo tiene algunos defectos de importancia:
* En primer lugar, el vapor que tiende a salir de la máquina (o expansor) es en un 20% o más
líquido. Cuando se trata de máquinas alternativas (cilindro-pistón), este es un inconveniente no
muy grave, pero cuando se trata de máquinas rotativas (turbinas) en que el vapor fluye a través
de los elementos a alta velocidad, esto causa desgaste y erosión en las piezas fijas y móviles.
* El segundo inconveniente, menos aparente, pero
mucho más importante desde el punto de vista
termodinámico,
tiene
que
ver
con
las
irreversibilidades termodinámicas. Estas siempre
existen, pero si yo uso un combustible (llama) como
fuente de calor, el efecto puede ser muy grave.
* Un tercer inconveniente de los ciclos de Rankine
es que a medida que la presión en la caldera sube (lo
cual implica mayor temperatura de fuente caliente),
el vapor después de la expansión sale con más agua.
La solución a ambos problemas implica introducir un sobrecalentamiento del vapor. Es decir,
el vapor se saca de la caldera y se sigue calentando (aumentando su temperatura) a presión
constante. Esto se ilustra en el diagrama T-S adjunto.
La bomba recolecta condensado a baja presión y
temperatura. Típicamente una presión menor a la
atmosférica, estado (4) y comprime el agua hasta la
presión de la caldera (5). Este condensado a menor
temperatura de la temperatura de saturación en la
caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero
se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia
la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la
caldera y luego se conduce el vapor al
sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador
de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega
calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor se
calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como
vapor sobrecalentado en el estado (2). El vapor que
sale del sobrecalentador se lleva al expansor o turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta
la presión asociada a la temperatura de condensación (3). El vapor que descarga la máquina entra al condensador
donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior
(típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (4) prácticamente
como líquido saturado. Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue en (1) la
caldera entrega vapor saturado. Luego se tiene el proceso
(1)-(2) en que el vapor se sobrecalentado a presión constante.
Sale en el estado (2) y allí entra a la turbina. Allí el vapor se
expande entre la presión de la caldera y la presión del
condensador [proceso (2)-(3)], produciendo el trabajo W. La
turbina descarga el vapor en el estado (3). Este es vapor más
seco que en el ciclo de Rankine, es admitido al condensador.
Aquí se condensa a presión y temperatura constante,
evolución (3)-(4), y del condensador se extrae líquido
condensado, en el estado (4). Luego la bomba aumenta la
presión del condensado de pcond a pcald , evolución (4)-(5) y
reinyecta el condensado en la caldera.
En resumen, podemos afirmar:
* Siempre, de ser posible, conviene utilizar un condensador.
*Si la temperatura de la fuente caliente está limitada (es decir es bastante inferior a la
temperatura crítica del agua), en general conviene utilizar un ciclo de Rankine.
* El ciclo de Rankine con sobrecalentador conviene cuando tenemos fuente caliente de alta
temperatura y necesitamos que el vapor salga más seco de la máquina.
*Con las condiciones en caldera y condensador iguales, el rendimiento de un ciclo con
sobrecalentador será superior a uno de Rankine sin sobrecalentador.
1.- Si no existe sobrecalentamiento:
➢ El agua líquida de la caldera A, absorve calor, eleva la presión hasta T1 y mantiene
constantes la presión y la temperatura que se transforma en vapor saturado seco B.
➢ Se expande B en el interior de una forma adiabática hasta T2 C.
➢ Se prosigue la condensación a temperatura y presión constantes, hasta D formandose
líquido saturado seco.
➢ Se comprime este adiabáticamente hasta A
2.- Con sobrecalentamiento:
➢ El vapor permanece seco durante casi toda la expansión adiabática, lo que disminuye los
peligros de corrosión producido por el vapor húmedo en las paredes del cilindro.
➢ También en este caso, el trabajo neto resulta del área de la superficie encerrada por el
ciclo cerrado ABCDA, que por el sentido del recorrido indicado , resulta positivo, lo cual
indica que el trabajo realizado por el fluido es mayor que el trabajo necesario para elevar la
presión del condensado.
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4.1.1.2.- Motores de encendido por compresión (Diesel)
Los elementos básicos y comunes en los motores alternativos son: los cilindros, los émbolos, la
cámara de combustión, el cigüeñal, las bielas, las válvulas de admisión y escape, y el sistema de
distribución por árbol de levas.
En el caso de los motores de encendido por compresión (motores Diesel o de gasóleo) difieren
de los de encendido provocado por chispa precisamente en eso. El motor encendido por compresión
actúa inyectando el combustible en determinadas condiciones de presión y temperatura en la cámara
de combustión. Por lo que en el tiempo de admisión, sólo
entra aire al cilindro, mientras que al final del tiempo de
compresión en vez de dar una chispa se inyecta presión el
combustible inflamándose.
Su funcionamiento tiene explicación en el Ciclo Diesel
y de Sabathé. Tiempos del motor Diesel
● TIEMPO
1º Admisión. (Transformación
isobara 0 - 1): en este momento, el pistón se
encuentra en el PMS, se abre la válvula de
admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el
PMI, entrando en el cilindro sólo comburente (aire).
El cigüeñal da media vuelta.
TIEMPO 2º Compresión. (Transformación
adiabática 1 - 2): cuando el pistón llega al PMI se
cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su
ascenso
hasta
el
PMS
comprimiendo
considerablemente al aire. Esta compresión eleva la
temperatura del aire. El cigüeñal da media vuelta.
●
TIEMPO 3º Combustión (encendido) –
expansión. (Transformación isobárica 2 - 3 y
adiabática 3 - 4): cuando el pistón se encuentra
próximo al PMS, por el inyector, se introduce el combustible a gran presión, produciéndose
una inflamación expontanea como consecuencia del calor desprendido en el roce del aire
con el combustible, aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro que
disminuirá cuando avance el pistón y aumente el volómen (con este aumento-disminución
●
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
de la presión se considera constante). Aumenta la temperatura. En este momento se inicia la
única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI. El cigüeñal da
media vuelta.
TIEMPO 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 y isobara 1 - 0): cuando
el pistón llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de
los gases quemados a la atmósfera. El resto de los gases son expulsados por el pistón en su
ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión
iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
●
Las aplicaciones de estos motores es tan amplia que sería muy difícil enumerar sin dejarse algo
olvidado, si bien, el sector automovilístico, naval, aeronáutico, agrícola e industrial emplean este
tipo de motores.
Ciclo Diesel Teórico y ciclo de Sabathé
Es el ciclo teórico de los motores de encendico por compresión tanto alternativos como
rotativos de tipo trocoidal.
0-1; Isóbara a p. atm
1-2; Compresión Adiabática
2-3; Isóbara
3-4; Expansión Adiabática
4-1; Isócora
Q1; calor generado en la combustión.
Q2; calor cedido al ambiente o perdidos
En motores Diesel, la introducción de calor se realiza a presión constante
El ciclo de Diesel teórico es una aproximación al proceso de motores excepcionalmente grandes
y lentos. Para motores dedicados a vehículos se emplea el ciclo mixto de Sabathé:
Q ' y Q ' ' se deben a las dos fases de combustión en los motores Diesel. La fase de
combustión a volumen constante y la fase de combustión a presión constante.
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
4.1.1.3.- Motores de encendido provocado por chispa (Otto, Gasolina)
Pueden ser de dos o de cuatro tiempos. Siendo cada tiempo,
el recorrido completo del pistón en el cilindro en un sentido u
otro.
En el caso de los motores de encendido provocado por chispa
(motores Otto, o de gasolina) el funcionamiento es el siguiente,
para una máquina de cuatro tiempos:
● Tiempo 1º Admisión. (Transformación isobara 0 - 1):
en este momento, el pistón se encuentra en el PMS, se
abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del
pistón hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente
más combustible mezclados.
Tiempo 2º Compresión. (Transformación adiabática
1 - 2): cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula
de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS comprimiendo la mezcla, a expensas
de un trabajo negativo W1. Al ser la transformación adiabática no hay transferencia de calor.
●
Tiempo 3º Explosión - Combustión – expansión. (Transformación isócora 2 - 3 y
adiabática 3 - 4): cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, se produce una chispa en la
bujía, inflamando la mezcla y aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro
(Q1 es el calor generado en la combustión), combustión instantanea. En este momento se
inicia la única carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI. En la
expansión se genera el trabajo positivo W2.
●
Tiempo 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 y
isobara 1-0): cuando llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de
escape provocando la evacuación de los gases quemados a la
atmósfera, el resto de los gases son expulsados por el pistón en su
ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y
se abre la de admisión
●
El movimiento alternativo del pistón se convierte rotativo por medio de
un mecanismo de biela-manivela, siendo la manivela un codo el cigüeñal.
La aplicación de estos motores es muy amplio, destacando motores para
vehículos de competición, coches, motocicletas, barcas... Su fundamento está
en el Ciclo Otto, de donde coge su nombre para muchos autores.
Los motores de encendio provocado por chispa de dos
tiempos realizan toda las operaciones antes descritas pero con
dos recorridos del pistón. Generalmente, en vez de llevar
válvulas, posee tres lumbreras (conductos): una de escape, otra
de admisión y otra de transferencia, que quedan abiertas o
cerradas, según la posición del pistón. Estos motores son
típicos en las motocicletas, maquinaria agrícola ligera, grupos
electrógenos y motobombas.
Fase de admisión-compresión. El pistón se desplaza hacia
arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su
recorrido deja abierta la lumbrera de admisión. Mientras la cara
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superior del pistón realiza la compresión en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla aire
combustible a través de la lumbrera. Para que esta operación sea posible el cárter ha de estar
sellado. Es posible que el pistón se deteriore y la culata se mantenga estable en los procesos de
combustión.
Fase de potencia-escape. Al llegar el pistón a su punto muerto superior se
finaliza la compresión y se provoca lacombustión de la mezcla gracias a una chispa
eléctrica producida por la bujía. La expansión de los gases de combustión impulsa
con fuerza el pistón que transmite su movimiento al cigüeñal a través de la biela.
En su recorrido descendente el pistón abre la lumbrera de escape para que puedan
salir los gases de combustión y la lumbrera de transferencia por la que la mezcla
aire-combustible pasa del cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto
inferior empieza a ascender de nuevo, se cierra la lumbrera de transferencia y
comienza un nuevo ciclo.
Ciclo de Otto
El ciclo de Otto es el ciclo ideal para motores de combustión interna de encendio provocado por
chispa tanto de tipo alternativo como trocoidal (Wankel).
0-1; Isóbara a p. atm
1-2; Compresión Adiabática
2-3; Compresión Isócora
3-4; Expansión Adiabática
4-1; Expansión Isócora
Q1; calor generado en la combustión.
Q2; calor cedido al ambiente o
perdidos
El rendimiento termodinámico

v2
forma queda: =1−
v1
=
Q 1−Q 2 C v⋅ T 3−T 2 −C v⋅T 4−T 1 
=
que puesto de otra
Q1
C v⋅ T 3−T 2 
−1
. El calor se introduce y extrae a volumen constante.
4.1.1.3.1.- Rendimiento térmico del motor de gasolina
=
Q 1−Q2 C v⋅ T 3−T 2 −C v⋅T 4−T 1 
T −T 1
=
=1− 4
Q1
T 3−T 2
C v⋅ T 3−T 2 
Pero como de las transformaciones adibáticas tenemos:
T 1 V 2  −1
1
=  = −1
T 2 V1
r
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T 4 V 2 −1
1
=  =  −1
T3 V1
r
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
1
. T 3−T 2
−1
T
−T
Sustituyendo en el rendimiento:
r
1
4
1
=1−
=1−
=1− −1
T 3−T 2
T 3−T 2
r
4.1.2.- Rotativas
4.1.2.1.-Motor Trocoidal (Wankel)
El otro grupo de motores de combustión interna rotativos, son los motores trocoidales y más
concretamente el denominado Wankel.
Se trata de un motor de concepción sencilla, pasa y ocupa la tercera parte de un motor
alternativo equivalente, el número de piezas es menor y carece de órganos con movimiento
alternativo rectilíneo, si bien, no todos giran circularmente como en las turbinas. Tiene un
inconveniente que consiste en los problemas de estanquidad de la zona de combustible y gases de
combustión frente a la zona de lubricación. Son motores que consumen mucho aceite.
El mecanismo consiste en un estator (o cuerpo fijo) cuyo interior hueco tiene forma de 8
tumbado, con aspecto casi elíptico. Su exterior suele tener talle circular. Otro elemento es el rotor
de forma “triagular” (de lados curvos), también posee eje motor: una excéntrica, un piñón fijo y una
corona (que engrana con el piñón y que se encuentra solidaria al rotor). Además de todo esto, el
motor tiene una lumbrera de escape y otra de admisión así como una bujía de chispa. Se trata desde
su concepción de motores de encendido provocado por chispa (gasolina de bajo octanaje,
generalmente), si bien Mercedes Benz y Renault han desarrollado una variante de encendido por
compresión, teniendo el estator cinco lóbulos, el rotor cuatro y dos válvulas por lóbulo en el estátor.
El funcionamiento es el siguiente: cada lado del rotor equivale a un cilindro del motor arte
alternativo, estando cada uno en un estado distinto (admisión, compresión, expansión y escape). Por
lo que en función de que sea de encendido por compresión o provocado por chispa su fundamento
termodinámico queda descrito en los ciclos Diesel y Sabathé, para el primero, y Otto, para el
segundo.
Por cada vuelta del rotor cada lado realiza los cuatro estados antes descritos, de tal manera que
equivale cada rotor a un motor de tres cilindros.
Las aplicaciones del motor Wankel se ciñen a motores para coches y motocicletas siendo el
Mazda RX-8 el único comercializado en la actualidad.
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
4.1.3.- Balance de rendimientos
El calor recibido por el foco caliente (energía de la combustión), a su entrada de la sección
térmica obteine como consecuencia la potencia de trabajo . De esto se obtiene el rendimiento
térmico consecuencia de la energía que mueve el vehículo. Esta potencia a su entrada de la sección
mecánica obtiene la potencia útil del motor. De esto se obtiene el rendimiento mecánico
consecuencia de la refrigeración y lubricación de los sistemas mecánicos. T =t . m
4.2.- Motores térmicos de flujo continuo
4.2.1.- Rotativos
4.2.1.1.- Turbina de vapor (combustión externa)
Actualmente, forman parte de instalaciones marinas y submarinas o centrales térmicas de gran
potencia. En los campos de la automoción y de la aviación no se emplea, principalmente por el peso
del generador de vapor que suele ser una caldera.
La turbina está formada por una corona de conductos fijos al cárter (depósito estanco con tapa
que protege el motor) denominados toberas, donde se expande el vapor con lo que aumenta su
energía cinética a expensas de la energía térmica que poseen. La corriente aumenta su velocidad y
disminuye su temperatura y presión, a la vez que estos conductos guían a la corriente de manera que
incida tangencialmente sobre otra corona formada por una especie de palas, denominadas álabes,
móviles que van empotrados en un disco montado sobre el árbol de la máquina, el conjunto de
álabes y disco. Estos álabes absorben la energía cinética de la corriente que es la que se aprovecha
para el movimiento de la máquina. Su fundamento termodinámico queda descrito en el ciclo de
Rankine. Su ventaja es que carece de cilindro y de órganos de transformación de movimiento, se
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
aumenta el rendimiento.
Las turbinas de vapor se
clasifican en: axiales y radiales.
Las turbinas axiales
son aquellas en que la
corriente
fluye
en
dirección del eje de la
máquina. A su vez se
clasifican en turbinas de
acción y turbinas de
reacción, siendo las de
mayor aplicación.
●
Las turbinas de acción son aquellas en las que la expansión del vapor sólo tiene lugar
en los conductos fijos o toberas.
○
Las turbinas de reacción son aquellas en las que la expansión del vapor se realiza
tanto en los conductos fijos como en los álabes móviles.
○
Las turbinas radiales son aquellas en que la corriente fluye en sentido perpendicular al
eje de la máquina.
●
El rendimiento de las turbinas axiales es muy alto pudiendo llegar al 80% y pudiendo ser o
tener uno o varios escalones (rodetes o turbinas), si bien no se contempla el rendimiento de las
calderas en este cálculo, pues si se evalúa en conjunto no suele pasar del 40%.
Es de destacar que la generación de vapor se puede realizar con todo tipo de combustible, incluido el
nuclear.
4.2.1.2.- Turbinas de gas de ciclo cerrado
Este tipo de máquinas fueron diseñadas y desarrolladas por
exigencias respecto del combustible, erosión de los álabes y con el fin
de incrementar las potencias máximas alcanzables.
En las turbinas de gas de ciclo cerrado las secciones de paso
disminuyen con respecto a las del ciclo abierto (que se ven con detalle
más adelante) pero los cambiadores de calor son mayores y más
pesados que en las turbinas de vapor. Haciendo que este tipo de
máquinas caigan en desuso. Su funcionamiento termodinámico teórico
viene descrito por el Ciclo de Brayton. No necesita agua. Se usan para propulsar aviones y centrales
generadoras de electricidad.
4.2.1.3.- Turbinas a gas de ciclo abierto:
El funcionamiento de las turbinas de ciclo abierto es muy parecido al de las plantas de vapor, o
aún más, al de las plantas motrices (turbinas de gas) de ciclo cerrado. Se diferencian de éstas porque
en vez de comunicar calor a la corriente de aire a través del intercambiador de calor o en una
caldera, la aportación de la energía se hace quemando combustible en el seno de la corriente, en una
cámara de combustión. Otra diferencia, respecto a los motores de combustión externa parecidos es
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
que en las turbinas de gas de ciclo abierto no existe condensador para enfriar los gases de
combustión sino que se expulsan a la atmósfera. Se suele emplear en mover un generador de
corriente eléctrica, una hélice de un barco o submarino, etc.
El funcionamiento la turbina de ciclo abierto es el siguiente:
1. Difusor de admisión (el aire pierde velocidad y gana presión). El aire aspirado de la
atmósfera es comprimido en los compresores hasta la compresión de 8 a 15 atmósferas.
2. Compresor. (Usa la energía desde su eje que mueve la turbina). Entre compresor y
compresor se enfría el aire por medio de unas baterías o radiadores
3. Una vez comprimido, se regula la temperatura del aire con los casos destape y de ahí se
pasa a la cámara de combustión.
4. En la cámara de combustión se mezcla el aire con el combustible debidamente
introducido de manera pulverizada. Debido a las condiciones de presión y temperatura de la
cámara, la mezcla arde inmediatamente.
5. Los gases pasan por las turbinas motrices que por la inercia de los mismos las hace
girar.
6. Toberas de escape. Inverso al difusor los gases aumentan su velocidad y disminuyen su
presión
En el momento del arranque, para que se produzca el encendido de la mezcla en la cámara de
combustión, se utilizan bujías.
Las aplicaciones de la turbina de gas son cada vez más importantes y extendidas: centrales
térmicas modernas, elementos de motores de aviación, en automoción para grandes camiones con
potencias superiores a 500 caballos, lanchas rápidas, overcraft...
Debido a la importancia de los motores aeronáuticos se hace una breve descripción de los más
importantes. Estos motores pueden ser:.
●
Autónomos o cohetes químicos.
●
No autónomos o aerorreactores.
4.2.1.3.1.- Cohetes químicos
Se caracterizan porque las sustancias que reaccionan entre sí, llamada propulsantes, están
contenidas en depósitos asociados al propio motor, de manera que no se toma ninguna de ellas del
medio ambiente que lo rodea (no cogen aire para la reacción). Dependiendo el estado físico de los
propulsantes se clasifican en: cohetes de propulsante líquido y cohetes de propulsante sólido.
Los primeros, generalmente emplean dos sustancias: un combustible y un oxidante. Como
combustible se suele emplear queroseno o hidrógeno y como oxidante oxígeno, ozono, o agua
oxigenada. Recibiendo el nombre de bipropulsante. Cuando sólo se emplea una sustancia, por
ejemplo la hidracina, son monopropulsantes. Los cohetes de propulsante líquido tiene la ventaja de
ser fácilmente regulables y el inconveniente de su compleja preparación para el lanzamiento. Su
principal aplicación radica en la industria espacial: cohetes espaciales, transbordadores...
Los cohetes de propulsante sólido no requieren la compleja preparación de los anteriores,
empleando combustibles como: Minuteman, Polaris, Poseidón,...
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
Su aplicación está prácticamente reservada a la industria militar como misiles, satélites...
El motor cohete está compuesto básicamente de una cámara de combustión y la tobera así como
de las válvulas de regulación de entrada de combustible y oxidante. Destacando que no hay piezas
móviles más que para el guiado y regulación de la alimentación.
Su funcionamiento es el siguiente: en la cámara de combustión se produce una reacción química
con la consiguiente elevación de la presión y la temperatura de los productos de la combustión. Los
gases se expanden en la tobera con el incremento de la cantidad de movimiento que trae como
consecuencia, causando la fuerza de empuje.
Un tipo especial de cohete de propulsante líquido es a reacción nuclear empleando en satélites
espaciales.
En la Mini-Mag, la cámara magnética son las propias toberas de la nave. Las esferas de
combustible nuclear se van inyectando en la tobera, donde el intenso campo magnético las
comprime produciendo la reacción nuclear y provocando su explosión. El plasma generado por esta
explosión es repelido por las toberas magnéticas generando así el chorro de la propulsión.
4.2.1.3.2.- Aerorreactores
Son motores de reacción no autónomos porque toman el oxidante del medio exterior,
conformando el grupo de turbinas de gas de aviación. Se pueden clasificar dependiendo de su
constitución en:
●
Aerorreactores sin compresor: entre los que figuran el estatorreactor y el pulso-reactor.
Aerorreactores con compresor: que destacan el turborreactor, el turbo-fan y el
turbohélice.
●
Ciclo de Brayton
Es el ciclo teórico de los motores aerorreactores con compresor y de las turbinas de gas de ciclo
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
abierto. También se denomina ciclo de presión constante.
Su rendimiento térmico queda definido por: =
Q 1−Q2  h3−h2 − h 4−h1 
=
Q1
h3 −h2
4.2.1.3.2.1.- Estatorreactor
Consta de una tobera de admisión, un difusor de
combustible, una cámara de combustión y una tobera de
escape. Su funcionamiento es sencillo, el oxidante entra por la
tobera de admisión, se comprime dinámicamente debido a su
inercia combustiona con el combustible en la cámara y se
expanden la tobera escape, reduciendo la fuerza de empuje.
Este tipo de motor no funciona en reposo necesitando una
inercia mínima en el chorro de admisión. Por lo que se emplea,
tan sólo, para aumentar la potencia de empujé en aviones cuando ya están en vuelo.
4.2.1.3.2.2.- Pulsorreactor
Fue el primer propulsor a reacción con éxito, siendo empleado en los
famosos V-1 que Alemania la lanzó a Inglaterra, si bien hoy en día
carece de aplicación práctica. Los componentes son los mismos que los
del estatorreactor con la añadidura de un conjunto de válvulas colocadas
a la entrada de la cámara de combustión y que producen (al abrirse y
cerrarse) un pulso de volumen constante de aire de admisión. En estos
motores, tanto las tobera así como la cámara de combustión varían de forma con respecto a los
estatorreactores.
4.2.1.3.2.3.- Turbocompresores
Se llama turbocompresor al compresor que va unido por un eje a la turbina de escape. La turbina
en estos motores es de un solo escalón.
El grupo de turbinas de gas de aviación conformado como ya se ha mencionado antes por los
turborreactores, turbofan o turboventilador y turbohélices, se denomina así por emplear como
elemento principal turbinas de gas de ciclo abierto, con la diferencia ya descrita en estos motores lo
que se pretende es una fuerza de empuje por chorro de fluido y no a través de un eje de transmisión.
Turborreactor
Tiene su origen en la industria militar generada por la Segunda Guerra Mundial en los bandos
alemán y británico, siendo la evolución de este último en la que se basan los turborreactores
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BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS.
actuales.
Los elementos que componen estos motores son:
un difusor variable, el turbocompresor, las cámaras de
combustión, la turbina y la torre la tobera de escape.
Su funcionamiento es similar al de la turbina de gas de
ciclo abierto, siendo el difusor variable el encargado
de la admisión de aire (oxidante) provocando en el una
precompresión, pasando después al turbocompresor en
donde la compresión del oxidante es aún mayor para
que al llegar a la cámara de combustión y se inyecta el combustible donde se produce el encendido
de la mezcla, los gases mueven la turbina y salen por la tobera escape provocando el empuje.
Turbo-fan
Mejora el rendimiento propulsivo frente a los
turborreactores a bajas velocidades. Esto se consigue
con un motor aerorreactor de doble flujo. Se trata de
un turborreactor al que se le incorpora en el eje del
turbocompresor y, a la entrada del difusor, un
ventilador (fan en inglés) seguido de un conducto por
el que parte del fluido del aire ventilado pasa
alrededor de la carcasa o Cárter del turborreactor. De
tal manera que bajas velocidades el ventilador ofrece
gran parte del empuje, mientras que a altas
velocidades es el turborreactor interno adquiere esa
función.
Turbo-hélice
Sólo comparte con los aviones de hélices tradicionales y las modernas avionetas y ultraligeros,
la hélice, puesto que el resto de la mecánica es diferente al 100%. Estos últimos utilizan motores
alternativos en las configuraciones de cilindros en línea y el “V” (para avionetas y ultraligeros
civiles) y en estrella o en doble estrella (para aviones militares de gran potencia con hasta 24
cilindros). En cambio los motores turbohélice, son como en el caso del turbofan, una modificación
del turborreactor descrito para mejorar su rendimiento a bajas velocidades, disminuyendo a altas.
Básicamente se trata de un turborreactor con una hélice en la entrada del difusor y unido al eje del
turbocompresor.
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Una vez descritos los motores mas usuales de la industria aeroespacial cabe resaltar en sus
aplicaciones de los más usuales son los turborreactores y turbofan para los aviones comerciales,
helicópteros civiles y militares mientras que los turbohélices se emplea en aviones más pequeños de
ámbito comercial intrarregional, aviones de carga (el Hércules) e hidroaviones...
4.3.- Compresores de desplazamiento positivo
Recordando la definición dada en la introducción de generador térmico que es aquella máquina
en la que la energía de salida es mayor que la de entrada, se pueden considerar en este grupo de los
compresores puesto que la energía de entrada es mecánica (por accionamiento de un motor eléctrico
o térmico) y generan un aumento de velocidad, temperatura y presión al fluido que pasa por sus
álabes y aspas.
4.3.1.- Alternativos
4.3.1.1.- Compresor de émbolo y sistemas de refrigeración
El compresor de émbolo funciona en 2 tiempos:
Primer tiempo: al bajar el pistón, la válvula de admisión se
abre y se llena de fluido el cilindro.
●
Segundo tiempo: al subir el pistón, el fluido de comprime
hasta que la presión sea superior que la del conducto de salida,
momento en el cual la válvula de salida se abre.
●
El uso de estos compresores se ha empleado para grandes tasas de compresión y pequeños
caudales como los necesarios en sistemas de refrigeración, frigoríficos, aerógrafos, equipos de
compresión de taller,...
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El sistema de bomba de calor descrito en el siguiente esquema es una de las aplicaciones típicas
de los compresores de émbolo.
El funcionamiento de este
sistema de aire acondicionado
es reversible, es decir, puede
funcionar como sistema de
calefacción, con tan sólo variar
la posición de una válvula de 4
vías, llamada también inversora.
Al expandirse un líquido en gas,
este captura energía calórica de
su entorno (lo enfría) a través de
la batería interior o evaporador
(intercambiador de calor aceiteaire), pasa este por el compresor
que lo comprime calentándolo y
después por la batería exterior o
condensadora (intercambiador
aceite-aire) que lo licua a
temperatura ambiente. Estos
circuitos
utilizan
aceites
refrigerantes que desde que en 1997 se firmase el “protocolo de Kioto sobre el cambio climático”
son libres de clorofluorocarbonos, hidrofluorocarbonos o CO2, entre otros, empleando agentes que
no afecten a la capa de ozono.
Algunos autores la consideran como máquina térmica, si bien es un sistema térmico con la
peculiaridad que desde el punto de vista global y, en su funcionamiento como bomba de calor, tiene
“un rendimiento mayor que 1” puesto que recupera entalpía del aire exterior.
4.3.2.- Rotativos
4.3.2.1.- Compresor de lóbulos o de Roots
El compresor de Roots es uno de los compresores de lóbulos
más empleados por su sencillez. También se construye para fluidos
incompresibles recibiendo el nombre de bomba de 2 lóbulos.
Su funcionamiento es sencillo: posee dos rotores, uno motriz y
otro arrastrado, por la lumbrera de admisión llega el fluido que es
atrapado entre la pared del compresor y la de uno de los lóbulos que
al girar lo conduce hasta la lumbrera de salida que está en contacto
con la alta presión.
Con este tipo de compresores volumétricos se consiguen
caudales proporcionales al régimen de giro y tasas medias de
compresión, por ello sus aplicaciones son la automoción si bien el consumo en potencia es grande,
por lo que, actualmente, se emplea una derivación del mismo el KKK que con un consumo de 2 a 8
CV de potencia, consigue un incremento de hasta un 50% de la potencia del motor térmico.
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4.3.2.2.- Compresor de paletas o rotativo multicelular
Se trata de un compresor cuyo fundamento es
similar al de lóbulos, pero empleando palas sobre una
excéntrica que gira comprimiendo el fluido encerrado
entre ellas y la pared interna del compresor.
Actualmente en desuso por su alto consumo por
rozamiento, aunque, en su origen, se emplease como
compresor volumétrico en motores de encendido
provocado por chispa.
4.3.2.3.- Compresor de espiral (tipo G)
Llevado a la práctica por el
grupo de automoción VAG
(Volskwagen, Audi, SEAT y
Skoda) con el nombre de “Tipo
G” con dos modelos base “G40” y
“G60” consisten en una espiral
móvil que varía su posición en
función de una excéntrica sobre
otra fija. Tiene como ventajas el
bajo rozamiento, alta tasa de
compresión y que la espiral no
gira con lo que aumenta su durabilidad. Su aplicación, por consiguiente es la industria
automovilística.
4.4.- Compresores de flujo continuo
4.4.1.- Rotativos
4.4.1.1.- Compresor de turbina y Turbocompresor
El compresor de turbina es un rodete acoplado al motor,
pero su consumo en potencia no lo hacía rentable, de tal manera
que se optó por emplear los gases de escape del motor para
mover una turbina que estuviera acoplada al rodete del
compresor llamándose turbocompresor.
En la imagen de la derecha se puede observar un
turbocompresor con el circuito de escape en rojo y el de
admisión-compresión en azul. Con este montaje, se consigue
disminuir el consumo del conjunto. Son compresores de baja tasa de compresión pero de grandes
caudales.
Para conseguir mayor Pu, habrá que consumir más combustible, también mayor cantidad de
aire, pero ¿cómo aumentarla?
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Aumentando la cilindrada: Pero también
aumenta la dimensión del motor, es mas caro
y consume más.
Aumentando el régimen de trabajo:
aumentando el número de rpm. Pero aumenta
el esfuerzo y desgaste motor.
Aumentando el llenado: facilitando la
admisión, el diámetro de la válvula de
admisión y la areodinámica de los tubos.
La
sobrealimentación:
Consiste
en
comprimir el aire antes de meterlo en el
cilindro, así aumenta la cantidad de aire a
igual volumen. Para esto necesitamos un
compresor que sin aporte de energía nos
sirva. Por esto usando la Ec de los gases de
escape en un motor turboalimentado estos
inciden en una turbina que mueve un eje que
comparte con un compresor que toma el aire
de la atmósfera y lo comprime antes de entrar
en el cilindro. Pero como el aire al
comprimirlo se calienta, aumentando su
volumen y disminuyendo su eficacia, se
enfría antes del cilindro mediante un intercambiador (aportando aire exterior) llamado
Intercooler
En la imagen inferior podemos observar el mecanismo de la parte compresora de un
turbocompresor de geometría variable por álabes móviles en el estátor. De manera que se pueda
modificar la tasa de compresión en función del régimen para mejorar la respuesta del motor.
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Forma parte de los turborreactores y de los montajes con sobrealimentación de motores de
combustión interna alternativos tanto gasolina como Diesel, además de Wankel.
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