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TECSUP Mquinas trmicas
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UNIDAD I
LAS MQUINAS TRMICAS 1.1. INTRODUCCION
El desarrollo de las mquinas ha sido uno de los factores clave en el
establecimiento de las modernas sociedades de bienestar. El papel que han
cumplido las mquinas a lo largo de la historia: primero como simples
ahorradores de fuerza humana; despus como artefactos capaces de
aprovechar fuerzas naturales del tipo viento o agua, y finalmente como
aparatos sofisticados capaces de convertir unas formas de energa en otras, fue
la de estar siempre al servicio de la humanidad.
Las mquinas se pueden clasificar segn su fuente de energa en mquinas
elctricas, hidrulicas y trmicas. Las mquinas trmicas transforman la energa trmica procedente de la combustin de un combustible en energa mecnica
(movimiento). La primera mquina trmica eficiente fue la mquina de vapor,
desarrollada en el siglo XVIII para bombear agua de las minas en Inglaterra.
Hoy en da podemos encontrar mquinas trmicas en todo tipo de industria.
La relacin material que los hombres tenemos con nuestro entorno no sera lo
que es si no se contara con los inmensos favores que las mquinas trmicas
prestan. La mquina trmica es, sin dudas, una de las creaciones ms
importantes que hasta el presente haya concebido la humanidad.
Figura 1.1 Motor de Reaccin
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1.2. TIPOS DE MAQUINAS TERMICAS Las mquinas trmicas trabajan con fluidos compresibles (gases de combustin,
vapor de agua, aire, etc). De manera general, de acuerdo al flujo de la energa,
se clasifican en:
Motoras: La energa del fluido que atraviesa la mquina disminuye,
obtenindose energa mecnica (movimiento rotatorio o lineal)
Generadoras: El proceso es el inverso, se suministra energa mecnica de
modo que el fluido incrementa su propia energa al atravesar la mquina.
Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las mquinas trmicas segn
el cuadro:
Mquinas trmicas
Motoras Volumtricas
Alternativas (Mquina de
vapor)
Rotativas (Motor rotativo
de aire caliente)
Turbo maquinas Turbinas
Generadoras Volumtricas
Alternativas (Compresor
de mbolo)
Rotativas (Compresor
rotativo)
Turbomquinas Turbocompresores
Tabla 1.1 Clasificacin de Mquinas Trmicas
1.3. MQUINAS TRMICAS MOTORAS Son todos aquellos maquinas que funcionando cclicamente son capaces de
transformar calor en trabajo.
El calor puede proceder en la mayora de los casos de una reaccin qumica de
combustin. Este calor generado es luego absorbido por un fluido o portador de
energa, que es el encargado de poner en movimiento los mecanismos que
ejercen las fuerzas produciendo trabajo, el cual por lo general estar disponible
en un eje en movimiento rotatorio o en movimiento lineal.
Segn el lugar donde se realice la combustin, las maquinas trmicas motoras
se clasifican en:
Mquinas Trmicas Motoras de Combustin Externa
Mquinas Trmicas Motoras de Combustin Interna
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1.3.1. MQUINAS TRMICAS MOTORAS DE COMBUSTIN EXTERNA La combustin se realiza fuera de la maquina trmica. A su vez se
pueden clasificar en:
De movimiento alternativo; como las maquinas de vapor de
embolo.
De movimiento rotativo como las turbinas de vapor.
Figura 1.2 Turbina de Vapor
1.3.2. MQUINAS TRMICAS MOTORAS DE COMBUSTIN INTERNA La combustin se realiza dentro de la maquina trmica. A su vez se
pueden clasificar en:
De movimiento alternativo como los motores de explosin.
De movimiento rotativo como las turbinas de gas.
Figura 1.3 Motor de Moto de Competicin
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1.4. MQUINAS TRMICAS GENERADORAS Se puede considerar como un conjunto de elementos mecnicos que permiten
intercambiar energa con el exterior, generalmente a travs de un eje, por
variacin de la energa disponible en el fluido que la atraviesa.
Como en el caso de las maquinas hidrulicas se utiliza la energa mecnica para
trasegar un caudal de fluido. Esto supone: aceleracin del fluido e incremento
de presin.
Figura 1.4 Turbocompresor
1.5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los principios de funcionamiento de las maquinas trmicas motoras se pueden
explicar a travs de los ciclos termodinmicos.
Las mquinas trmicas difieren considerablemente unas de otras, pero todas se
caracterizan por:
Reciben calor de una fuente de alta temperatura (cmara de combustin).
Convierten parte de este calor en trabajo.
Liberan calor en un sumidero de baja temperatura.
Operan en un ciclo.
Las mquinas trmicas y otros dispositivos cclicos suelen incluir un fluido al y
desde el cual el calor transfiere energa mientras se somete a un ciclo
termodinmico. Este explicacin se ilustra grficamente de la manera siguiente:
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Figura 1.5 Generacin de Trabajo por Absorcin de Calor
Donde:
Qent = Calor que recibe el portador de energa desde una Fuente Caliente.
Qsal = Calor que entrega el portador de energa a una Fuente Fra o Sumidero.
Wneto = Trabajo til que se realiza durante el ciclo.
El rendimiento de una mquina trmica es el cociente entre la energa mecnica
producida (W) y el calor tomado del foco caliente (Qent) en un ciclo.
Las mquinas trmicas tienen rendimientos muy bajos, ya que tan slo una
pequea parte del calor producido se puede transformar en trabajo, y el resto
se utiliza en calentar el fluido que pone en movimiento a la mquina, en vencer
el rozamiento de las piezas que la componen o simplemente se disipa al
ambiente en forma de calor.
La eficiencia de varios motores trmicos propuestos o usados hoy en da oscila
entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de conversin de
energa trmica del ocano, el 25% para la mayor parte de los motores de
automviles, el 35% para una planta generadora de carbn supercrtico, y el
60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor.
Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la
depresin de la temperatura a travs de ellos. Por ejemplo, los sistemas de
conversin de energa trmica del ocano emplean una diferencia de
temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del
ocano, es decir, una diferencia de tal vez 25 grados celsius, por lo que la
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eficiencia debe ser baja.
1.6. HOJA DE TRABAJO De ejemplos de mquinas trmicas alternativas motoras y generadoras.
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Cul es la diferencia entre las mquinas trmicas motoras y las generadoras?
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Qu tipo de mquina trmica es un motor de reaccin de avin?
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Qu factores influyen para que el rendimiento de las mquinas trmicas no
sea el ideal?
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1.7. RESUMEN Una mquina trmica es un conjunto de elementos mecnicos que permite
intercambiar energa, generalmente a travs de un eje, mediante la variacin
de energa de un fluido. En las mquinas trmicas se producen una serie de
transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo
cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, la mquina recibe energa
trmica en forma de calor y devuelve energa mecnica en forma de trabajo.
Existen diversos tipos de mquinas trmicas, las cuales se pueden clasificar
segn el sentido de transferencia de la energa (motoras y generadoras) o
segn su principio de funcionamiento (volumetricas y turbomquinas).
1.8. TRABAJO DE INVESTIGACION Buscar informacin sobre los tipos de mquinas trmicas generadoras.
Buscar informacin sobre los tipos de mquinas trmicas de combustin
externa.