presentación1 motores tÉrmicos
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Todos los combustibles, tanto los renovables como los no renovables, proporcionan energía térmica, y esta es susceptible de transformarse en
energía mecánica (movimiento) a través de los llamados motores o máquinas térmicas.
Obtener movimiento a partir del calor
Las primeras fuentes de energía utilizadas por las personas fueron los combustibles: madera, carbón, etc. También las primeras máquinas con motor consumían combustibles, como la máquina de vapor desarrollada
en el siglo XVIII, que quemaba carbón para mover los pistones. Estos motores son los motores térmicos.
Un motor térmico utiliza la energía almacenada en un combustible y la transforma en movimiento.
Cuando el combustible se quema, la combustión produce gases (vapor de agua u otros). Si el vapor de agua penetra en una cámara cerrada se
expandirá ocupando todo el volumen disponible, aumentando la presión.Este aumento de presión hará que un pistón se mueva en el interior de un
cilindro. El movimiento del pistón se transmite luego a otras partes móviles de la máquina.
Usando un generador, este movimiento también puede convertirse en electricidad.
Un motor térmico o máquina térmica es un artefacto que convierte energía térmica en trabajo mecánico por medio del
aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero” frió.
El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo,
usualmente un gas o un líquido.
Existen muchas variedades de motor térmico, las cuales se diferencian las unas de las otras por el combustible que utilizan, con lo cual varían los mecanismos interiores del motor. Pueden utilizar Gasolina (explosión),
Gasóleo (Diesel), jetfuel (reacción), etc.
En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose
energía mecánica.
En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.
Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía
mecánica.
Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de
vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar
En la práctica se denomina Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica
En términos generales, a mayor diferencia de temperatura entre la fuente caliente y
el sumidero frío, corresponde mayor eficiencia potencial del ciclo.
La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en día oscila entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 30% para la
mayor parte de los motores de automóviles, el 35% para una planta generadora de carbón
supercrítico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor.
Para la clasificación de los motores térmicos, además de los criterios ya mencionados en el caso de máquinas de fluido, se tienen
en consideración dos aspectos adicionales
Si el fluido es condensable (agua) o no condensable
(aire).
Si el proceso es de combustión externa o
interna
Máquinas de combustión externa
Máquinas de combustión interna
En las máquinas de combustión interna, son los gases de la combustión los que circulan por la propia máquina. En este caso, la máquina será
necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor será el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustión.
MOTOR Turbomáquina -------- Turbina de gas de ciclo abierto
ROTATIVO Volumétrico -------- Motor Wankel Quasiturbina
MOTOR Encendido provocado ------ Motor de explosión Otto
ALTERNATIVO Encendido por compresión ------- Motor Diesel
Motor Cohete -------- Cohete espacial prop. Líq/sól
MOTOR Aerorreactor --------- Estatorreactor/pulsorreactor
REACCIÓN Aerorrector con compresor --- Turborreactor
Turbofan
Turbohélice
Si la combustión es externa, el calor de la combustión se transfiere al fluido a través de una pared, por ejemplo en un intercambiador de
calor. Este tipo de máquinas no exige un proceso de combustión, como sucede en las instalaciones nucleares, si bien es el procedimiento usual. Dado que el fluido motor no sufre degradación alguna, estas
máquinas pueden ser de ciclo cerrado.
FLUIDO TURBOMÁQUINA ------ Turbina de vapor ciclo A o C
CONDENSABLE ALTERNATIVO ----- Máquina de vapor ciclo A o C
FLUIDO NO TURBOMÁQUINA ------ Turbina de gas de ciclo C
CONDENSABLE ALTERNATIVO ----- Motor Stirling
Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo
continuo.
Para ello, el motor describe ciclos termodinámicos entre dos focos a diferente temperatura. Del foco a temperatura más elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1) Parte de este calor lo transforma en trabajo
(W) y el resto (Q2) es cedido al foco a menor temperatura (T2).
W = Q1 - Q2
En la figura podemos ver el esquema de un motor térmico.
El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.
n = W/Q1
Esta formado por 4 etapas. Dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas. En el diagrama (presión -
volumen) inferior podemos observar el ciclo de Carnot.
En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones a volumen constante
(isocoras). En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Stirling
En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones lineales. En el siguiente diagrama
podemos observar el ciclo de Bouasse.
Con las máquinas inversas lo que conseguimos es calentar o enfriar una zona a expensas de consumir un trabajo. El calor (Q2) que absorbe de uno de los focos gracias al trabajo (W) aportado, es cedido, junto con
éste trabajo, al segundo foco térmico.
Q1 = Q2 + W
En esta figura podemos ver el esquema de una máquina inversa
TEMPERATURA Y CANTIDAD DE CALOR
REFRIGERACIÓN DEL MOTOR
CONVERSIÓN DE ENERGÍA