Ciclos Termodinámicos
Motor Térmico vs. Máquina Frigorífica
La máquina frigorífica se puede considerar como un motor térmico que funciona en sentido inverso. En un frigorífico doméstico, Qf representa el calor extraído por los serpentines refrigerantes situados en su interior (congelador), W es el trabajo realizado por el motor que acciona el compresor, y Qc es el calor cedido a los serpentines o radiador refrigerantes exteriores, que se elimina al ambiente por una circulación de aire.
Ciclo de Carnot
Cuanto menor sea el intercambio de calor del foco caliente al frío, más cantidad de calor se transforma en trabajo. Sin embargo, una turbina de vapor raramente llega al 30% de eficiencia. Las pérdidas debidas a los rozamientos no justifican estos valores tan bajos, y hay que buscar la causa en el calor que se llevan los gases de escape procedentes de la combustión.
Carnot resolvió el problema de un motor térmico: al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada, el calor realiza trabajo mecánico y el motor cede calor a temperatura inferior. Este ciclo supone que la sustancia que realiza el ciclo reversible es un gas ideal y que el motor funciona entre dos focos de calor: el caliente a temperatura Tc, y el frío a temperatura Tf.
Motores Térmicos: Clasificación
Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo.
Según el Lugar de la Combustión
- De Combustión Externa: El calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Ejemplos: máquinas y turbinas de vapor.
- De Combustión Interna: La combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente el movimiento de los mecanismos del motor. Ejemplos: motores de explosión, diésel, turbohélices.
Según la Forma de Obtención de Energía Mecánica
- Motores Alternativos: El fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.
- Motores Rotativos: El fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas.
- Motores de Chorro: El fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.
Máquinas de Combustión Externa: Máquinas Motrices de Vapor
Motor Alternativo de Combustión Interna
Una máquina de vapor consiste en un cilindro que tiene en su interior un émbolo o pistón, que divide al cilindro en dos zonas: la salida del vapor y la entrada. El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema biela-manivela del que forma parte un volante de inercia.
Por encima del cilindro se desplaza en dirección horizontal un distribuidor que también está unido al volante, aunque su dirección de movimiento es siempre en sentido opuesto al émbolo. De este modo, cuando la zona izquierda está en comunicación con la caldera, la zona derecha lo está con el condensador y viceversa. Con ello se consigue el movimiento alternativo continuo.
Motor Rotativo de Combustión Externa: Turbina
El vapor pasa a través de unas toberas en las cuales pierde presión y gana velocidad, a la vez que se orienta el flujo de manera que incida tangencialmente sobre la turbina. La turbina está formada por un rodete que tiene insertados un conjunto de álabes, los cuales absorben la energía de la corriente produciendo la rotación del eje.
Sobre el álabe se originan una serie de fuerzas resultado del choque del vapor con él y de la acción hidrodinámica debida a la forma del álabe que hace que el vapor circule por el extradós a más velocidad que por el intradós. Esto produce una depresión en la zona en la que el fluido va más rápido, con lo que el álabe hace girar la rueda en dicho sentido.
Ciclo de un Motor de Combustión Externa
- El líquido sale de la bomba (5). Dado que, de forma horizontal, ha de pasar al (2) del líquido saturado, atraviesa dos isotermas: la que pasa por (5) y (1). Esta es la tarea del precalentador: calentar el agua a la presión existente en la caldera hasta alcanzar la saturación.
- Se calienta en la caldera hasta el (2), donde el agua es vapor saturado.
- En el interior del motor se cede energía por una transformación adiabática y se alcanza (3) con menor presión y el vapor es húmedo.
- En el condensador el vapor húmedo condensa hasta la saturación en el intercambiador de calor.
- El líquido saturado se comprime adiabáticamente desde la presión del condensador hasta la presión de la caldera.
Dos mejoras importantes: recalentamiento del vapor de salida de la turbina y precalentamiento del agua a la entrada de la caldera mediante la extracción de una parte del vapor antes de la expansión de este (ciclo regenerativo).
Motores de Combustión Interna
Motores Rotativos: Turbina de Gas
Elementos:
- Compresor: Suelen ser de tipo axial y radial, aprovechando el gran caudal de aire que pueden suministrar. En las diferentes etapas del compresor, se comprime cada vez el aire, transformando la energía cinética del aire en energía de presión.
- Cámara de Combustión: Donde llega el aire comprimido y se le inyecta combustible pulverizado mediante los inyectores. El diseño de la cámara impide que se caliente todo el aire, para que una parte se caliente con los gases y se lance contra los álabes de la turbina a través de las toberas, que transforman la energía de presión en cinética.
- Turbina: Los gases lanzados con energía cinética contra los álabes del rotor, y en diferentes etapas, pierden su energía cinética para transformarse en mecánica, que es aprovechada para mover el propio compresor.