TEMA 3: “Máquinas térmicas: funcionamiento, clasificación y
Anuncio
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 Aaadori@gmail.com Página 1 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 Aaadori@gmail.com Página 2 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: Aaadori@gmail.com Página 3 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 Aaadori@gmail.com 2 Motor de paletas 3 Turbina Pelton 4 Bomba de émbolo Página 4 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. ● Aaadori@gmail.com Página 5 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 Aaadori@gmail.com Página 6 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. ● Aaadori@gmail.com Página 7 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) Aaadori@gmail.com Si → Q<0 y W<0 (el sistema cede calor) Página 8 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. Aaadori@gmail.com Página 9 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... Aaadori@gmail.com Página 10 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 Aaadori@gmail.com Página 11 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. ➔ Aaadori@gmail.com Página 12 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 Aaadori@gmail.com Página 13 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. Aaadori@gmail.com Página 14 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. Aaadori@gmail.com Página 15 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. 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 ● Aaadori@gmail.com Página 16 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. Aaadori@gmail.com Página 17 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 Aaadori@gmail.com Página 18 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. 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 Aaadori@gmail.com T 4 V 2 −1 1 = = −1 T3 V1 r Página 19 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. Aaadori@gmail.com Página 20 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 Aaadori@gmail.com Página 21 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 Aaadori@gmail.com Página 22 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,... Aaadori@gmail.com Página 23 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 Aaadori@gmail.com Página 24 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 Aaadori@gmail.com Página 25 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. Aaadori@gmail.com Página 26 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. 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,... Aaadori@gmail.com Página 27 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. 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. Aaadori@gmail.com Página 28 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. 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? Aaadori@gmail.com Página 29 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. • • • • 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. Aaadori@gmail.com Página 30 BLOQUE 2.- PRINCIPIOS DE MÁQUINAS. Forma parte de los turborreactores y de los montajes con sobrealimentación de motores de combustión interna alternativos tanto gasolina como Diesel, además de Wankel. Aaadori@gmail.com Página 31
