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introduccion a maquinas termicas

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Maquinas trmicas

Maquinas trmicas

Ing. Hctor Torres

Principios de las maquinas trmicas La evolucin histrica de la ingeniera trmica empieza con el dominio del fuego que, en sus principios, serva para calentarse y como medio de iluminacin. Ya por el 10000 a.C. empiezan a utilizarlo en la fusin de metales, la alfarera y cermica, por medio de hornos. Pero para aquella poca los conceptos termodinmicos son imprecisos: fuego, calor y temperatura eran poco ms que percepciones condicionadas a la mitologa.En Egipto se desarrolla sistemas de refrigeracin por evaporacin, ms tarde en Creta y Roma, despus, se implantan las primeras calefacciones centrales. En el siglo IX, en China, si bien no llega a Europa hasta el siglo XII, se inventa la plvora para realizar fuegos artificiales y armamento, llevando a la construccin de los primeros proyectiles (cohetes).

En el siglo I, Hern de Alejandra construye la que es considerada como la primera mquina trmica de la historia, la Eolpila, es una mquina constituida por una cmara de aire (generalmente una esfera o un cilindro), con tubos curvos por donde es expulsado el vapor. La fuerza resultante por esta expulsin hace que el mecanismo comience a girar, segn la ley de accin-reaccin. Normalmente, el agua es calentada en otra cmara, y unida a la anterior mediante tubos por donde pasa el vapor, aunque tambin puede ser calentada en la misma cmara desde donde se expulsa el vapor. Se empleaba como juguete o entretenimiento.En 1480, Leonardo da Vinci, dibuja una mquina que funciona con el calor de una chimenea. Si bien, algunos autores atribuyen este invento a Arqumedes. Consista en una mquina que acoplada a un torno de chimenea proporcionaba un giro al jabal que se estaba cocinando. Tras los avances tcnicos de Lavoissier (1772) con el tratado elemental de qumica, Fourier (1822) con la teora analtica del calor y Carnot (1824) con las reflexiones sobre la potencia motriz del fuego; se considera el nacimiento de la termodinmica con los postulados de los dos principios bsicos, desarrollada por Mayer, Joule, Clausus, Helmholtz y Kelvin.

Despus los inventos destacados: Faraday (1840), en la produccin de fro consigue -110C. Lenoir, en 1860, con el motor de combustin 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 aplicacin militar. Laval y Parsons en el final del siglo XIX, la turbina a vapor.MQUINASUno de los problemas de la ingeniera es la transformacin de unas fuentes de energa en otras que sean ms fcilmente aprovechadas por el hombreUna mquina es el conjunto de mecanismos combinados que tienen como misin convertir o transformar una forma de energa con unas condiciones concretas en otra, o en la misma pero con otras condiciones. (Q W)Por lo tanto una primera clasificacin de las mquinas podra ser en funcin de las fuentes de energa utilizadas :CLASIFICACINMquinas de fluidoMquinas hidrulicasMquinas trmicasMquinas elctricasDentro de cada tipo se pueden dividir en funcin de si producen energa mecnica o si la utilizan:Mquinas transformadoras o transformadoresMquinasMquinas motoras o motores Mquinas generadoras o generadores Clasificacin general de las Maquinas HidrulicasReciben trabajo externo y transforman la energa mecnica en energa requerida, comunicando al fluido un aumento de su energa potencial, cintica o de presin(compresores y ventiladores).Maquinas generatrices o Maquinas generadoras.Maquinas Motrices o Mquinas Motoras .Transforman la energa de sus distintas formas a energa mecnica, generalmente en forma rotativa, sea que transforman la energa del fluido en movimiento de las maquinas (turbinas de vapor).EJEMPLO DE MAQUINAS GENERADORAS Y MOTORAS

TURBINA DE VAPOR COMPRESORTERMICAMAQUINADiferencia entre maquinas trmica y maquina hidrulicaPermite intercambiar energas. En una maquina trmica la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformacin de energa.este es otro tipo de maquina de fluido, la variacin de densidad es suficientemente pequea como para poder desacoplar el anlisis de los efectos mecnicos y los efectos trmicos llegan a ser despreciables en gran parte de los casos.M. Hidrulica:M. Trmica:MAQUINAS TERMICAS son las que utilizan como elemento intercambiador de energa fluidos que se comportan como compresibles, donde los fenmenos termodinmicos tienen una incidencia fundamental: compresor, turbina de gas etc.Las maquinas trmicas son aparatos que se utilizan para transformar la energa calorfica en trabajo mecnico.

Existen 3 clases de Maquinas Trmicas.Maquina de vapor.Motores de combustin.Motores de reaccin

Maquinas de vapor: Cuando el agua se transforma en vapor, se expande ocupando un volumen 1700 veces mayor que su estado liquido, una maquina de vapor es de combustin externa si el combustible se quema fuera de ella, calentando la caldera productora del vapor que la alimenta.

Maquinas de combustin interna: Se llaman as porque el combustible se quema dentro del motor donde realiza su funcin. Estos motores aprovechan la expansin de los gases producidos por la combustin viva de una mezcla carburante en la cmara de combustin del cilindro.

Motores de reaccin: Se basan en el principio de la accin y reaccin.

Clasificacin de las mquinas trmicasLas mquinas de fluido son un conjunto de elementos mecnicos que tienen como funcin el intercambio de Energa mecnica a o desde energa trmica o hidrulica de un fluido.Mquina trmica es aquella que convierte energa trmica en mecnica y viceversaUna primera clasificacin de stas sera en funcin del sentido de la transformacin:Motores trmicos: Los motores trmicos son aquellas mquinas en las que la forma de energa que se emplea es la trmica, para obtener energa mecnica.

Generadores trmicos o compresores: Por el contrario, los generadores trmicos son aquellas mquinas que desde la energa mecnica, se transforma en energa trmica. Los generadores trmicos tambin reciben el nombre de compresoresOtra clasificacin de las mquinas trmicas es atendiendo a la constitucin de las mismas Mquinas rotativas: tienen como principal caractersticas que los elementos mviles de las mismas giran.

Mquinas alternativas o de mbolo: se ha de hacer una conversin del movimiento lineal que describen los mbolos en los cilindros a rotativo por mecanismos de biela-manivela. Las mquinas a reaccin se basan en la expansin de gases que desplazan gran cantidad de volumen de aire y gases procedentes de la combustin.Otra forma de diferenciar las mquinas es por la continuidad del fluido:Mquinas de desplazamiento positivo o volumtricas: son aquellas en las que el fluido est confinado en un espacio concreto en las operaciones de compresin y o expansin.Mquinas de flujo continuo: el fluido se comprime y se expande en su paso sin quedar atrapado.Una cuarta clasificacin que se puede hacer es atendiendo a dnde ocurre la combustin:Mquinas de combustin externa: son aquellas que queman el combustible fuera de la propia mquina, en unas calderas.Mquinas de combustin interna: son aquellas en las que el combustible se emplea dentro de la propia mquina, en las cmaras de combustin.Esta ltima no tiene sentido ahora, puesto que salvo la mquina de vapor y la turbina de vapor, todos las dems son de combustin interna.RESUMEN DE TABLA DE CLASIFICACIN

Termodinmica aplicable a mquinas trmicasPara adquirir una nocin completa del funcionamiento de las mquinas trmicas es necesario hacer un breve repaso de termodinmica.Principios termodinmicosLa termodinmica, se sustenta en dos principios bsicos de los cuatro:El primer principio de la termodinmica: es el principio de conservacin de la energa: la energa ni se crea ni se destruye nicamente se transforma. que dicho de otro modo, el calor Q es transformable en trabajo W, y viceversa, segn la relacin constante y quedando el estado termodinmico de un fluido definido por sus condiciones de presin, temperatura, volumen, energa interna y entropa.El segundo principio de la termodinmica: en el enunciado de Kelvin, confirma que no existe ningn dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una nica fuente y lo convierta ntegramente en trabajo. Lo que nos lleva pensar que parte de la energa no es aprovechable. De este principio se saca como conclusin que todas las mquinas van a tener un rendimiento no perfecto, es decir menor que 1. Y que un proceso puede ser reversible o terico (invierten su sentido slo modificando las condiciones externas) y irreversible o real (donde los estados intermedios no estn en equilibrio como los anteriores debido al rozamiento, etc).Conceptos termodinmicos bsicosPor otro lado es importante definir una serie de conceptos inherentes al tema como son:Energa: es la capacidad para realizar trabajo. Se puede clasificar en:Energa potencial: cuando est contenida en un cuerpo o sistema debido a un campo de fuerzas. Energa cintica: debida al movimiento de cuerpos.Las formas de energa que interesan en este tema son la mecnica y la trmica, es decir, las que tienen capacidad para producir trabajo mecnico y calor. Siendo:Trabajo mecnico: 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 energa trmica de transicin a travs de las superficies que limitan al sistema. Es el trabajo trmico. Se mide en caloras (Ca)