Máquinas Térmicas: Funcionamiento y Tipos

27 Ene

Por profesor
En Tecnología
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Una máquina térmica es un dispositivo o sistema que trabaja estableciendo intercambios de calor y de trabajo con su entorno, transformando una sustancia mediante un proceso cíclico o una secuencia de operaciones. Al final de cada ciclo, la sustancia vuelve a su estado original y comienza un nuevo ciclo. Puede funcionar como motor, si convierte el calor en trabajo, o como refrigerador o bomba de calor si convierte el trabajo en calor. Las máquinas térmicas transforman la energía mecánica en energía térmica, y viceversa. Si convierte el calor en trabajo funciona como motor. En cambio, si convierte el trabajo en calor, actúa como bomba de calor.

A finales del siglo XVIII, en los inicios de la Revolución Industrial, apareció la primera máquina térmica: la máquina de vapor.

Clasificación de las Máquinas Térmicas

Las máquinas térmicas se clasifican en:

Combustión externa: la energía es producida por la combustión que se genera en el exterior de la máquina. El trabajo motriz se obtiene a través de unos dispositivos.
Combustión interna: la reacción del combustible se produce en el interior de la máquina, y los gases resultantes generan el trabajo motriz.

Las máquinas de combustión interna y externa pueden ser:

Alternativas: incorporan un pistón que tiene movimiento rectilíneo y una biela-manivela, que transforma el movimiento en rotación.
Rotativas: provocan un movimiento de rotación.

Tipos de Motores

Motores de explosión (o de ciclo OTTO): utiliza la explosión de un combustible, provocada mediante una chispa, para expandir un gas y empujar así un pistón.
Motores diésel.

Las máquinas térmicas son las que transforman la energía térmica en energía mecánica y al revés. Un motor térmico es una máquina motriz que transforma la energía térmica o el calor en energía mecánica.

En las máquinas térmicas de combustión externa, el combustible se quema fuera de la máquina y se usa el calor generado para calentar y vaporizar el agua, que es la que se encarga de realizar el trabajo motriz.

En las máquinas térmicas de combustión interna, el combustible se quema dentro de la máquina y los gases producidos en la combustión son los encargados de producir el trabajo motriz. Las máquinas alternativas tienen un émbolo o pistón con movimiento rectilíneo y un mecanismo de biela-manivela de movimiento rotativo, que en estas máquinas se produce directamente el movimiento de rotación.

Máquina de vapor alternativa: surgió en la Revolución Industrial.

James Watt 1769. El siglo XIX fue llamado el siglo del vapor. En Cataluña, la introdujeron los médicos barceloneses Francesc Santpontç y F. Salvà. En 1805, Santpontç construyó la Catalana.

Funcionamiento de la Máquina de Vapor

El vapor producido por la caldera con presión elevada era conducido hacia el cilindro a través del distribuidor. Este distribuía el vapor hacia un lado y otro del cilindro, ejerciendo una fuerza debida a la presión sobre el pistón. A través de la biela-manivela, el pistón accionaba la rueda motriz. Cuando a la máquina se le pedía mucho esfuerzo, la velocidad de rotación se reducía y viceversa. Pero había un regulador que, mediante unas boyas, tapaba una válvula que provocaba la disminución.

Wankel: En un giro del eje motriz se llevan a cabo 3 veces cada fase del ciclo Otto, por eso el giro es en forma de triángulo. Ingeniero Félix Wankel en 1963. Tuvo poco éxito y usa gasolina.

Máquina de vapor rotativa: Se usan las turbinas de vapor para accionar respectivamente los generadores o las hélices propulsoras. Para estas acciones es necesaria la caldera productora de vapor de agua. El vapor es conducido hacia la turbina donde unas toberas lo llevan con unos álabes que obligan a girar una rueda. Formada por rodillos fijos o giratorios que giran (acción), y después va hacia los álabes que lo dirigen de nuevo a los rodillos (reacción). Son las máquinas más potentes que ha hecho la humanidad, con más de 4.000.000 KW.

Máquinas de Combustión Interna Alternativas

Realizan combustión interna sin usar un elemento intermedio como el vapor. La combustión se produce dentro del cilindro. Hay el ciclo Otto y el ciclo diésel, los dos pueden ser de 4 tiempos.

Ciclo de 4 Tiempos (4T)

Nikolaus Otto, ingeniero alemán en 1876, sentó las bases del actual motor de gasolina. Funciona con 4 tiempos, usa la gasolina como combustible y con un mecanismo de biela-manivela transforman el movimiento recto del pistón en uno de rotación.

1-Admisión: El pistón está a punto de llegar al PMS (Punto Muerto Superior), pasa el combustible.
2-Compresión: La válvula cierra el pistón, se comprime el combustible.
3-Explosión: Provocada por una chispa, empuja el pistón al PMI (Punto Muerto Inferior).
4-Escape: El pistón llega al PMS, la válvula se abre, salida de gases.

Ciclo de 2 Tiempos (2T)

Más sencillos, usan gasolina mezclada con aceite que lubrica todo el motor para reducir el rozamiento. Primero se hacen los tiempos 1 y 2, y luego los tiempos 3 y 4.

Motor Diésel

Ingeniero alemán Rudolf Diesel. Su funcionamiento es un sistema de combustión que no necesita chispa para la explosión. Primero entra solo el aire y el pistón lo lleva al PMS. Después, el gasoil accionado por una potente bomba entra en contacto con el aire, cayendo y produciéndose la combustión.

Motores Otto

Los motores Otto son del tipo MEP (motores de encendido provocado) y su proceso consta de cuatro tiempos. En el primer tiempo, el pistón está situado en el PMS (punto muerto superior), cuando empieza a bajar se crea una depresión y se abren las válvulas de admisión, por donde se inyecta aire (filtrado y caliente). Cuando el pistón llega un poco más adelante del PMI se cierra la válvula o las válvulas de admisión. Aquí es donde empieza el segundo tiempo, una vez cerrada la v. de admisión, el pistón vuelve a subir por inercia de émbolo y comprime el aire del cilindro llegan a su volumen mínimo, al PMS. De esta manera, sube la presión y la temperatura, se produce una compresión adiabática. En el tercer tiempo, se inyecta la gasolina a través de los inyectores y se provoca la chispa, se produce la explosión, en este instante, suben la presión y la temperatura a volumen constante (p. isocórico). Se produce la expansión adiabática que empuja el pistón hasta el PMI. Es la fase de generación de energía en forma de movimiento rectilíneo del émbolo. En el cuarto tiempo, justo antes de que el pistón llegue al PMI, se abren las v. de admisión y los gases quemados pierden presión a volumen constante (instante). Seguidamente los gases salen y vuelve a empezar el ciclo.

Motores de Dos Tiempos

Los motores de 2T son del tipo MEP (motor de encendido provocado), y su proceso consta de dos tiempos. El primero, la mezcla se comprime por el pistón situado en el PMS, dejando abierto el conducto de admisión hacia el cárter. Seguidamente se crea la explosión con la chispa de la bujía. En el segundo tiempo, se crea la expansión adiabática y el pistón es empujado hasta el PMI, bloqueando el canal de admisión y abriendo el de escape. Por la acción del émbolo provocado por el pistón, el combustible del cárter sube hasta la parte superior del cilindro, al tiempo que empujan los gases quemados. El pistón sube por inercia del émbolo y vuelve a empezar el ciclo.

Motor Wankel

Produce los 4 tiempos en una sola rotación del eje motriz. Entra la mezcla de aire y con el movimiento del triángulo se comprime y lo lleva mediante la rotación a la zona de la chispa. Se produce una explosión, un instante de volumen constante. Y seguidamente la expansión empuja el triángulo con movimiento giratorio, produciendo el primer movimiento de trabajo, directamente al eje motriz, lo que hace mejorar el rendimiento del motor en este aspecto. Los gases salen por el respiradero de escape y vuelve a empezar el ciclo. No ha sido un motor muy desarrollado, ya que presenta problemas respecto a la fricción y la refrigeración del motor.

Turbinas de Gas de Ciclo Abierto

Admisión de aire, se comprime y se introducen los gases, se inicia la combustión. Estos gases a gran velocidad empujan una turbina. Esta produce el trabajo, aunque parte de este se utiliza para hacer funcionar el compresor. Con el turborreactor, no hay chispa y la combustión e inyección de combustibles es continua.

Refrigerador

El compresor produce una compresión adiabática de los gases vaporizados y los dirige hacia el condensador. El gas se licúa y cede calor a la fuente caliente (QH), así que se produce una compresión isotérmica, en el cambio de estado en que cede el calor latente, por eso se mantiene la temperatura. Seguidamente hay una expansión adiabática, situada tras una válvula de expansión en el tubo capilar, ya que disminuye la presión y la temperatura, y el líquido empieza a vaporizarse. Estos gases van hacia el evaporador, donde se produce una expansión isotérmica y baja la presión. El líquido se vaporiza y absorbe calor del ambiente (Qc) debido al cambio de estado.

Máquinas de combustión interna alternativas: Realizan combustión interna sin usar un elemento intermedio como el vapor. La combustión se produce dentro del cilindro. Hay el ciclo Otto y el ciclo diésel, los dos pueden ser de 4 tiempos.