INTRODUCCION A LA TERMOTECNIA

¿Qué es la termotecnia?

Es la rama que se encarga de analizar los conceptos de

1.- Conceptos básicos de transferencia de calor y humedad En este bloque se analizan los procesos de transferencia de calor y de humedad que intervienen en las instalaciones industriales.

2.- Generación de calor En el segundo bloque se estudia la combustión como forma de generación de calor y su aplicación a los calefactores de aire y al calentamiento de agua o de vapor en las calderas. Dentro de este bloque se incluye el estudio de la utilización de biomasa en la generación de calor.

3.- Criterios de sostenibilidad en las instalaciones térmicas En este bloque se desarrolla el cálculo del balance térmico que se produce en un local como consecuencia de los intercambios energéticos que se desarrollan en su interior y con el medio ambiente. También se analizan las principales propiedades de los materiales aislantes que permiten limitar la demanda energética de los edificios. Otro aspecto analizado será el rendimiento de las instalaciones térmicas y de sus equipos y los criterios y sistemas de ahorro energético que se les pueden aplicar.

4.-. Balance térmico en edificios

5.- Aislamiento térmico y limitación de la demanda energética

6.- Ahorro y eficiencia energética en las instalaciones térmicas

7.- Generación de frío e instalaciones frigoríficas de compresión mecánica En el cuarto bloque se analizan los distintos sistemas físico-químicos que permiten producir frío, prestando especial atención a los sistemas de absorción que reducen el impacto ambiental. También se estudian de forma detallada los distintos componentes de una instalación de refrigeración de compresión mecánica y se adquieren los conocimientos básicos para su diseño.

ALGUNOS PUNTOS INTRODUCTORIOS

Formas de energía y su intercambio

Las formas de energía son distintas manifestaciones de lo mismo: Energía. Es decir, “formas de energías” son los distintos tipos de “visualización” en los que la energía se manifiesta en la naturaleza.

En la naturaleza existen diferentes formas en las que se encuentra la energía:

La energía química: Es la energía almacenada dentro de los productos químicos. Los combustibles como la madera, el carbón, y el petróleo, son claros ejemplos de almacenamiento de energía en forma química. También es la energía producida en las reacciones químicas.

Ejemplo de transformación de la energía: En los fuegos artificiales, la energía química se transforma en energía térmica, luminosa, sonora y de movimiento.

Toda sustancia se compone de moléculas, estas moléculas están en constante movimiento. Cuanto mas caliente está algo, es porque mas rápido se están moviendo las moléculas.

La energía mecánica: Dentro de la energía mecánica hay dos tipos de energia mecánica: la energía cinética y la energía potencial. La suma de ambas siempre se mantiene constante y es igual a la energía mecánica (salvo en sistemas en los que actúen fuerzas no conservativas). Un ejemplo de esta forma de energía es la energía de las olas.

-La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo en movimiento. Cuanto mas rápido se mueven, más energía cinética posen. La cantidad de energía cinética que tiene un cuerpo, depende de la masa que esta en movimiento y de la velocidad a la que se desplaza esa masa. Un ejemplo de aprovechamiento de la energía cinética, es el viento (con la energia eolica), que también se puede aprovechar en el mar, como con laenergía eólica offshore.

-La energía potencial es la energía almacenada, la energía que mide la capacidad de realizar trabajo. Cualquier objeto que esté situado a cierta altura tiene energía potencial gravitatoria.

Por ejemplo, el agua que está en una presa tiene energía potencial a causa de su posición. El agua puede caer desde esta posición y ejercer una fuerza desde una distancia y, por tanto, hacer trabajo, en este caso: accionar una turbina para generar electricidad.

La energía electromagnética: Es la energía debida a la presencia de un campo electromagnético, y es proporcional a la suma de los cuadrados de los valores del campo eléctrico, y del campo magnético, en un punto del espacio.

La energía luminosa o lumínica: Se manifiesta y es transportada por ondas luminosas. Sin ella no habría vida en la Tierra. No debe confundirse con la energía radiante. Es una forma de energía electromagnética. Se puede transformar en energía eléctrica, mediante el efecto fotoeléctrico, y esto es la energía solar fotovoltaica.

La energía sonora: De entre las distintas formas de energías, es la energía transportada por ondas sonoras. La energía sonora es otro efecto de las moléculas en movimiento, procede de la energía vibracional del foco sonoro.

Pero, ¿qué es la energia? Energía es la capacidad para realizar un trabajo.

Es importante tener en cuenta que la energía ni se crea ni se destruye sólo se transforma. Por lo que todos los procesos que manejan energía, involucran un cambio en la forma en la que la energía se manifiesta. Es decir, que se va pasando de un tipo a otro de forma de energía entre las descritas anteriormente

Intercambios de energía

Interesa analizar los intercambios de energía en un determinado sistema

tal como el sistema A representado en la figura. Si E es la energía del

sistema considerado y E’ la energía del otro sistema A’ que interacciona

con A, en cualquier proceso se debe cumplir que:

DE + DE’ = 0 .

Se analizó anteriormente que la transferencia de energía entre ambos sistemas puede ocurrir de dos

formas; como calor o cómo trabajo. Si el sistema A gana energía a costa de A' en forma de calor,

Q = DE ; - Q = DE’.

Si el intercambio es en forma de trabajo, entonces W = DE ; - W = DE'.

Finalmente, si hay transferencia simultánea en forma de trabajo y de calor, entonces

Q + W = DE .

Note que si el sistema A recibe calor y también recibe trabajo, Q > 0 y W > 0. Sin embargo, por razones

históricas se acostumbra en la práctica considerar que el trabajo es negativo cuando el sistema recibe

energía en forma de trabajo. Sustituyendo entonces el signo de W en la expresión anterior, se obtiene

finalmente

Q = DE + W

Según este convenio, Q y W son positivos cuando el sistema absorbe calor y entrega trabajo. (En realidad,

lo que se hace es sustituir el trabajo realizado por las fuerzas del medio ambiente por el realizado por las fuerzas

equilibrantes del sistema analizado, que siempre tendrá signo contrario al trabajo del medio ambiente).

La imposibilidad de construir el móvil perpetuo de primera especie está implícita en la primera ley: si Q =

0 y DE = 0 entonces W = 0; y no es posible que un sistema realice trabajo neto sin absorber calor o reducir

su energía interna.

En el Cap. 1 se analizó que el calor puede transferirse de tres formas: por conducción, (sólidos) por convección

(líquidos y gases) y por radiación electromagnética. En realidad, la radiación electromagnética

requiere de un análisis particular. La luz del sol incidiendo sobre una superficie incrementa su temperatura;

entonces, la correspondiente transferencia de energía del sol a la superficie pudiera considerarse

como calor. Sin embargo, la luz también posee cantidad de movimiento y es posible lograr que la presión

de la luz haga mover mecanismos sencillos (por tanto, habría que considerar esta transferencia

como trabajo).

Parámetros térmicos

Los parámetros térmicos se utiliza para tener un margen establecido de las condiciones a las que debe estar un sistema termodinamico

Ecuaciuon de estado

Una ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema enequilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general:

No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las sustancias para todas las condiciones de presión y temperatura.

Ecuación de estado de un gas ideal

La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones:

• no hay interacciones entre las moléculas del gas,

• el volumen de las moléculas es nulo.

La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llamaecuación de estado de un gas ideal.

La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas válidas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.

Ley de Boyle

La ley de Boyle (1662) da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a temperatura constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen de un gas a temperatura constante es constante. Matemáticamente:

Ley de Charles

La ley de Charles (1787) establece que, a presión constante, el cociente entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura, expresada en kelvin (K), es una constante.

En la siguiente figura se ha representado el volumen que ocupa un gas para distintas temperaturas a presión constante:

La recta representada en la figura es independiente del gas encerrado en el recipiente, y corta con el eje horizontal a una temperatura (en oC) aproximadamente igual a - 273 oC. Como se observa

en la gráfica, un gas a una temperatura inferior ocuparía un volumen negativo, por lo que no pueden existir temperaturas inferiores.

Este valor de la temperatura se emplea para definir el cero en la escala absoluta (o Kelvin) de temperaturas (pinchar el enlace anterior para más información).

Matemáticamente, la ley de Charles se expresa:

Combinando en una sola ecuación la ley de Boyle y la ley de Charles se obtiene:

Para un mol de gas, la constante que aparece en el segundo miembro de la ecuación anterior es la constante universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:

donde n es el número de moles.

El valor de R en el Sistema Internacional es:

Isotermas de un gas ideal

La ecuación de estado de un gas ideal depende de tres variables (p, V, T), pero es posible representarla en dos dimensiones con ayuda del diagrama de Clapeyron odiagrama p - V. Si en la ecuación de estado de un gas ideal se fija el valor de la temperatura (por ejemplo T1), la ecuación resultante es:

que es la ecuación de una hipérbola. Gráficamente,

Cada valor de la temperatura sustituido en la ecuación de estado da lugar a una hipérbola. Por construcción, todos los puntos de una misma hipérbola corresponden a estados en que el gas ideal se encuentra a la misma temperatura, por lo que se denominan isotermas. Cuanto mayor es la temperatura, más arriba en el diagrama de Clapeyron se encontrará su isoterma correspondiente.

El calor específico

es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial.1 2 Se le representa con la letra (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula).

Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia.1

calores específicosSustancia Cal /g ºCAluminio 0,212Cobre 0,093Hierro 0,113Mercurio 0,033Plata 0,060Latón 0,094

Agua de mar 0,945Vidrio 0,199Arena 0,20

Hielo 0,55Agua 1,00Alcohol 0,58Lana de vidrio 0,00009Aire 0,0000053

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINA MICA

Un sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma de trabajo y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía.

Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el trabajo de las fuerzas externas (Wext) y la variación de energía propia(ΔU) :

Nombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema (energía cinética orbital).

Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo: si el gas se expande realiza un trabajo (W) positivo, en contra de las fuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una compresión. Además, ahora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma de calor (Q).

Luego la expresión final queda:

Este enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.

Para aclarar estos conceptos consideremos el siguiente ejemplo: un recipiente provisto de un pistón contiene un gas ideal que se encuentra en un cierto estado A. Cuando desde el exterior se le suministra calor al gas (Q>0) su temperatura aumenta y según la Ley de Joule, su energía interna también (UB>UA). El gas se expande por lo que realiza un trabajo positivo. El primer principio nos da la relación que deben cumplir estas magnitudes:

Si el recipiente tuviera paredes fijas, el gas no podría realizar trabajo, por lo que el calor suministrado se invertiría íntegramente en aumentar la energía interna. Si el recipiente estuviera aislado térmicamente del exterior (Q=0) el gas al expandirse realizaría un trabajo a costa de su energía interna, y en consecuencia esta última disminuiría (el gas se enfriaría).

Forma diferencial del Primer Principio

Si el proceso realizado por el gas es reversible, todos los estados intermedios son de equilibrio por lo que las variables termodinámicas están bien definidas en cada instante a lo largo de la transformación. En esta situación podemos escribir el primer principio de la siguiente manera:

La diferencia de símbolos empleados para designar la diferencial del calor, del trabajo y de la energía interna representa que la energía interna es una función de estado, mientras que el calor y el trabajo dependen de la transformación que describe un sistema.

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS TERMICAS

Que es una Maquina Térmica

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo.

Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la maquina. Se trata de una maquina de fluido en la que varía el volumen especifico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

Es aquella que convierte energía térmica en mecánica y viceversa.

Existen 2 clases de maquinas térmicas :

- De combustión externa : El combustible o aire, o líquidos se queman fuera del motor. Por ejemplo una maquina de Vapor.

- De combustión Interna : El combustible se quema dentro de la maquina. Por ejemplo el motor de un carro

Como Funciona la Maquina Térmica?

La maquina térmica tiene un funcionamiento cíclico en el cual encontramos un foco caliente (Fuente termica1) y un foco frio (Fuente termica2), del foco caliente se extrae el calor que se transforma en trabajo o energía mecánica y , la energía no transformada en trabajo debe cederse en forma de calor al otro foco térmico, en este caso el foco frio.

La máquina toma una cantidad de calor Q1 de un foco caliente a una temperatura T1.

El sistema produce una cantidad de trabajo W.

El calor absorbido y no transformado en trabajo cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío a una temperatura T2.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS

Las máquinas de este tipo puede clasificarse según dos criterios:

El sentido de transferencia de energía

Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.

Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.

Estas pueden ser clasificadas también de las siguientes maneras:

1.-En función del sentido de la transformación:

●Motores térmicos. Los motores térmicos son aquellas maquinas 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 maquinas que desde la energía mecánica, se transforma en energía térmica. Los generadores térmicos también reciben el nombre de

compresores.

2.- De acuerdo a su constitución:

●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.

3.- De acuerdo a la continuidad del flujo:

●Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas: son aquellas en las que el fluido esta 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.

4.- De acuerdo a donde ocurre la combustión:

●Máquinas de combustión externa: son aquellas que “queman” el combustible fuera de la propia maquina, en unas calderas.

●Máquinas de combustión interna: son aquellas en las que el combustible se emplea dentro de la propia maquina, en las cámaras de combustión.

Según el principio de funcionamiento

Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina.

En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor:

Alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo

Rotativas, cuyo movimiento es circular.

Turbo máquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete.

TABLA RESUMEN DE CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE FLUIDOS

TABLA DE CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS TERMICAS

TABLA RESUMEN 2

Máquinas térmicas

Máquinas térmicas

MotorasVolumétricas

Alternativas Máquina de vapor

Rotativas Motor Wankel

Turbomáquinas Turbina

GeneradorasVolumétricas

Alternativas Compresor de émbolo

Rotativas Compresor rotativo

Turbomáquinas Turbocompresor

MAQUINAS MOTORAS

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Máquina De Vapor

Máquina de vapor en funcionamiento. Por la flecha roja a la izquierda entra el

vapor calentado, la válvula inmediata se puede cerrar para detener la máquina

dependiendo de la presión. Por la flecha azul derecha sale el vapor ya pasado el

circuito.

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el

ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual

produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón.

Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal

alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de

rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor

de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo

retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía

cinética de un volante de inercia.

2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y

salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor

hacia y desde el cilindro.

Motor Wankel

El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de losmotores alternativos.

Wankel concibió su motor rotativo en 1924 y obtuvo la patente en 1929. Durante los años 1940 se dedicó a mejorar el diseño. En los años1950 y los 1960 se hicieron grandes esfuerzos en desarrollar los motores rotativos Wankel. Eran especialmente interesantes por funcionar de forma suave y silenciosa, y con escasas averías, gracias a la simplicidad de su diseño.

Funcionamiento

Un motor rotativo o Wankel, en honor a su creador Félix Wankel, es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente a los motores alternativos.

En un motor alternativo, se efectúan sucesivamente 4 diferentes operaciones dentro de una cámara -admisión, compresión, combustión y escape-. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en zonas distintas del estator o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable. Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñalque se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único.

Al igual que un motor de pistones, el rotativo utiliza la presión producida por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte de la envolvente o estator y cerrada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motor reemplaza a los pistones.

El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el "estator" o "epitrocoide", delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contrae alternativamente; es esta expansión-contracción la que aspira el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae suenergía expansiva y luego expulsa los gases quemados hacia el escape. 1

Ventajas e InconvenientesVentajas

Menos piezas móviles: el motor Wankel tiene menos piezas móviles que un

motor convencional, tan solo 4 piezas; bloque, rotor (que a su vez está

formado por segmentos y regletas), árbol motor y sistema de

refrigeración/engrase (similar a los que montan los motores de pistón). Esto

contribuye a una mayor fiabilidad.

Suavidad de marcha: todos los componentes de un motor rotativo giran en el

mismo sentido, en lugar de sufrir las constantes variaciones de sentido a las

que está sometido un pistón. Están equilibrados internamente con contrapesos

giratorios para suprimir cualquier vibración. Incluso la entrega de potencia se

desarrolla en forma más progresiva, dado que cada etapa de combustión dura

90° de giro del rotor y a su vez como cada vuelta del rotor representa 3 vueltas

del eje, cada combustión dura 270° de giro del eje, es decir, 3/4 de cada

vuelta; se compara con un motor monocilíndrico, en el que cada combustión

transcurre durante 180° de cada 2 revoluciones, o sea 1/4 de cada vuelta

del cigüeñal: se produce una combustión cada 120º del rotor y 360º del eje. Un

motor Wankel de dos rotores equivale en uniformidad de par a un motor de 6

cilindros alternativo.

Menor velocidad de rotación: dado que los rotores giran a 1/3 de la

velocidad del eje y al tocar el estator, las piezas principales del motor se

mueven más lentamente que las de un motor convencional, aumentando la

fiabilidad, una vez resueltos los problemas iniciales en elegir los materiales

más adecuados, los segmentos siempre están en movimiento respecto a las

partes fijas, no hay puntos muertos como en los motores alternativos, y

precisamente en esos puntos muertos, donde al no haber velocidad relativa de

una pieza respecto a otra no hay lubricación (ver tribología) se producen los

mayores desgastes.

Menores vibraciones: dado que las inercias internas del motor son muy

pequeñas (no hay bielas, ni volante de inercia, ni recorrido de pistones, ni

movimiento), solo se producen pequeñas vibraciones en la excéntrica.

Menor peso: debido al menor número de piezas que forman el motor en

comparación con los de pistones y dado que generalmente se construyen

motores de dos o tres rotores de 600 cc o 700 cc cada uno, ayuda a conseguir

un menor peso final del mismo.

Inconvenientes

Emisiones: es más complicado (aunque no imposible) ajustarse a las normas

de emisiones contaminantes, ya que trabaja igual que un motor de 2 tiempos,

consumiendo aire, combustible y aceite.

Costos de mantenimiento: al no estar tan difundido, su mantenimiento

resulta más complejo por la dificultad en encontrar personal adecuadamente

formado en este tipo de motor.

Consumo: la eficiencia termodinámica (relación energía disponible en el

combustible/potencia efectiva) se ve reducida por la forma alargada de las

cámaras de combustión, con una alta relación superficie/volumen.

Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del

rotor, que deben ser estancas unas respecto a otras para un buen

funcionamiento. Además, en los primeros modelos se hacía necesario cambiar

el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su desgaste,

que puede reducirse manteniendo una pequeña proporción de aceite mezclado

directamente en el combustible +1%, las bombas fallan, con lubricantes sólidos

tipo MoS2, y redondeando las aristas de las lumbreras y huecos de las bujías,

para evitar choques bruscos entre los segmentos de estanqueidad y el estator.

Sincronización: la sincronización de los distintos componentes del motor

debe ser muy buena para evitar que el encendido de la mezcla se inicie antes

de que el pistón rotativo se encuentre en la posición adecuada. Si el encendido

es precoz, empujará en sentido contrario al deseado, pudiendo averiar el

motor.

Encendido: El número y la situación de las bujías influían en el rendimiento

del motor y en su complejidad: han evolucionado a una única bujía por cámara

para la mayoría de aplicaciones, como en los motores alternativos.

Mantenimiento: Los segmentos que garantizan la estanqueidad debían

cambiarse en plazos determinados debido al desgaste producido por el

constante rozamiento de los vértices del rotor con la superficie de

revestimiento de la epitrocoide, asunto solucionado desde los años 70.

Motores De Encendido ProvocadoEn este tipo de motores, la combustión se inicia cerca del final de la carrera de compresión por causa de una o varias chispas. Dicha combustión se propaga en un frente de llama hacia el resto de la cámara. Según la mezcla, hay dos tipos de motores de encendido provocado: uno, los que trabajan siempre con mezcla estequiométrica; dos, los que lo pueden hacer también con mezcla pobre.

En funcionamiento con mezcla estequiométrica, una válvula de mariposa, controlada directa o indirectamente por el pedal del acelerador, es lo que varía la carga (salvo en el motor Valvetronic de BMW, que no tiene mariposa). Es decir, esta válvula deja pasar más o menos aire y, por tanto, varía el par que da el motor. Cuando la mariposa no está completamente abierta (que es lo más habitual) ese «estrangulamiento» disminuye el rendimiento del motor. En esas condiciones (carga baja o media), la mezcla de aire y gasolina se mantiene casi constante en una proporción estequiométrica

En estos motores, la relación de compresión (y, por tanto, el rendimiento) está limitada por la aparición de la combustión detonante o «picado de biela». Este fenómeno, asociado al autoencendido, daña componentes del motor por las altas transferencias de calor que origina (puede fundir parte del pistón) y un aporte de energía desfasado respecto al movimiento del pistón.

Por otra parte, la asociación del aire y el combustible no es perfecta —sobre todo en los ciclos de dos tiempos— lo que aumenta la proporción de CO e HC en el gas de escape. Además, la combustión con alta temperatura provoca óxidos de nitrógeno NOx. Todo se ello debe corregir con el empleo de complejos y costosos sistemas de descontaminación.

Los motores que pueden funcionar con mezcla pobre son generalmente de inyección directa, aunque ni todos los inyección directa funcionan con mezcla pobre, ni todos los de mezcla pobre tienen inyección directa. Con cierta combinación de carga y régimen, estos motores no usan una mezcla homogénea, sino una pobre pero estratificada: muy rica en torno a la bujía, muy pobre en el resto de la cámara de combustión. En la zona rica, donde se inicia la llama, la temperatura es muy elevada y favorece la oxidación del nitrógeno. Como consecuencia de este fenómeno y de la atmósfera rica en oxígeno, los motores de inyección directa de gasolina emiten mas NOx que los indirecta.

Una de las principales ventajas de estos motores es que —cuando funcionan con mezcla pobre— no tienen las pérdidas por bombeo de un motor normal de gasolina. Como la variación de la carga se hace mediante el combustible (no mediante el aire), la mariposa está prácticamente abierta.

Flujo Continuo

Turbinas Térmicas

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina.

Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño:

Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante

su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron

populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las

más comunes.

Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del

fluido durante su paso por el rodete.

También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:

Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el

estátor, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de

velocidad del fluido.

Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el

estátor, o posiblemente, sólo en rotor.

Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:

Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y

son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.

Turbinas de media presión.

Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las

más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de

las turbomáquinas.

MAQUINAS GENERADORAS

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Compresores

Máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen especifico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión.

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran numero de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.

CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES

Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de rotor y los de paletas en centrífugos y axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor.

Compresor Alternativo o de Embolo

Los compresores alternativos funcionan con el principio adiabático mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime en el cilindro y sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga. Estos compresores rara vez se emplean como unidades individuales, salvo que el proceso requiera funcionamiento intermitente. Por ejemplo, si hay que regenerar un catalizador cada dos o tres meses o se tiene un suministro de reserva en otra fuente, esto daría tiempo para reparar o reemplazar las válvulas o anillos de los pistones, si es necesario. Los compresores alternativos tienen piezas en contacto, como los anillos de los pistones con las paredes de¡ cilindro, resortes y placas o discos de válvulas que se acoplan con sus asientos y entre la empaquetadura y la biela. Todas estas

partes están sujetas a desgaste por fricción.

Los compresores alternativos de embolo se clasifican:

Según la fase de compresión en:

Monofásico o de simple efecto, cuando el pistón realiza una sola fase de compresión (la acción de compresión la ejecuta una sola cara del pistón).

Bifásico, de doble efecto o reciprocante cuando el pistón realiza doble compresión (la acción de compresión la realizan ambas caras del pistón).

Según las etapas de compresión se clasifican en:

Compresores de una etapa cuando el compresor realiza el proceso de compresión en una sola etapa.

Compresores de varias etapas cuando el proceso de compresión se realiza en mas de una etapa por ejemplo una etapa de baja presión y una etapa de alta presión.

Compresores de lóbulos (Roots)

Se conocen como compresores de doble rotor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como sobre alimentador de los motores diese¡ o sopladores de gases a presión moderada. Los rotores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los rotores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

FLUJO CONTINUO

Turbocompresor

Un turbocompresor o también llamado turbo es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel.

En algunos países, la carga impositiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen turbocompresor.

Funcionamiento

En los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.

Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.

El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler.

Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al caudal de combustible, siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiésel).

Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.

Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).