MAQUINAS TÉRMICAS

Ing. Héctor Torres

PRINCIPIOS DE LAS MAQUINAS TÉRMICAS 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 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 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 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.

MÁQUINASUno 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 transformar una forma de energía con unas condiciones concretas en otra, o en la misma pero con otras condiciones. (Q → W)

Por lo tanto una primera clasificación de las máquinas podría ser en función de las fuentes de energía utilizadas :

CLASIFICACIÓN

Máquinas de fluidoMáquinas hidráulicas

Máquinas térmicas

Máquinas eléctricas

Dentro de cada tipo se pueden dividir en función de si producen energía mecánica o si la utilizan:

Máquinas transformadoras o transformadores

Máquinas

Máquinas motoras o motores Máquinas generadoras o generadores

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS MAQUINAS HIDRÁULICAS

Reciben trabajo externo y transforman la energía mecánica en energía requerida, comunicando al fluido un aumento de su energía potencial, cinética o de presión(compresores y ventiladores).

•Maquinas generatrices o Maquinas generadoras.

•Maquinas Motrices o Máquinas Motoras .

Transforman la energía de sus distintas formas a energía mecánica, generalmente en forma rotativa, ósea que transforman la energía del fluido en movimiento de las maquinas (turbinas de vapor).

EJEMPLO DE MAQUINAS GENERADORAS Y MOTORAS

TURBINA DE

VAPOR

COMPRESOR

TERMICA

MAQUINA

DIFERENCIA ENTRE MAQUINAS TÉRMICA Y MAQUINA HIDRÁULICA

Permite intercambiar energías. En una maquina térmica la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

este es otro tipo de maquina de fluido, la variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos mecánicos y los efectos térmicos llegan a ser despreciables en gran parte de los casos.

•M. Hidráulica:

•M. Térmica:

MAQUINAS TERMICAS

son las que utilizan como elemento intercambiador de energía fluidos que se comportan como compresibles, donde los fenómenos termodinámicos tienen una incidencia fundamental: compresor, turbina de gas etc.

Las maquinas térmicas son aparatos que se utilizan para transformar la energía calorífica en trabajo mecánico.

EXISTEN 3 CLASES DE MAQUINAS TÉRMICAS.

Maquina de vapor.

Motores de combustión.

Motores de reacción

• 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 combustión externa si el combustible se quema fuera de ella, calentando la caldera productora del vapor que la alimenta.

• Maquinas de combustión interna: Se llaman así porque el combustible se quema dentro del motor donde realiza su función. Estos motores aprovechan la expansión de los gases producidos por la combustión viva de una mezcla carburante en la cámara de combustión del cilindro.

• Motores de reacción: Se basan en el principio de la acción y reacción.

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

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 biela-manivela. 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.

RESUMEN DE TABLA DE CLASIFICACIÓN

TERMODINÁMICA APLICABLE A MÁQUINAS TÉRMICAS

Para adquirir una noción completa del funcionamiento de las máquinas térmicas es necesario hacer un breve repaso de termodinámica.

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS

La termodinámica, se sustenta en dos 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 teórico (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).

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+REnergía 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.

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.

ECUACIONES Y TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS BÁSICAS

Las ecuaciones que rigen las máquinas térmicas son:

Dentro de las transformaciones termodinámicas se destacarán: la isóbara la isócora la adiabática la isotérmica

CRITERIO DE SIGNOS

TRANSFORMACIÓN ISÓBARA O A PRESIÓN CONSTANTE: P=CTE.

TRANSFORMACIÓN ISÓCORA O A VOLUMEN CONSTANTE: V=CTE.

TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA O TEMPERATURA CONSTANTE: T=CTE

TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA O ISENTRÓPICA:

CICLOS TERMODINÁMICOS TEÓRICOSLos 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.

CICLO DE CARNOTEl 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.

MOTORES TÉRMICOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

AlternativosMáquina 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...

MÁQUINAS TÉRMICAS: FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES