Máquinas Térmicas: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

¿Qué es una Máquina Térmica?

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que intercambian energía mecánica mediante la variación de energía térmica de un fluido que lo atraviesa.

Tipos de Máquinas Térmicas

Máquinas Térmicas Volumétricas

Una máquina térmica volumétrica es un conjunto de piezas que intercambian energía gracias a la variación de energía térmica de un fluido que las atraviesa intermitentemente, por medio del cambio de presión en fuerza.

Características de las Máquinas Térmicas Volumétricas

• Proceso intermitente.
• El rozamiento del fluido es poco significativo.
• Pérdidas de calor.
• Conversión de presión en fuerza.

Máquinas Térmicas Dinámicas

Una máquina térmica dinámica es aquella en la que el fluido entra y sale del motor de forma continua, convirtiendo la presión de dicho fluido en velocidad de su rotor o parte móvil. Son adiabáticas.

Características de las Máquinas Térmicas Dinámicas

• Proceso continuo.
• Pérdidas por rozamiento con el fluido.
• Adiabáticas.
• Conversión de presión en velocidad.

Motores Térmicos

¿Qué es un Motor Térmico?

Un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que generan energía mecánica mediante el estado térmico generado en una reacción de combustión.

Motores Endotérmicos

Un motor endotérmico es un motor donde la combustión se crea en su interior y el fluido de trabajo es el mismo que el combustionado.

Motor Endotérmico Volumétrico

Es un conjunto de elementos mecánicos que proporcionan energía mecánica mediante el estado térmico generado en una reacción de combustión que se lleva a cabo dentro de la estructura del motor.

Motor Endotérmico de Reacción

En un motor endotérmico de reacción, el fluido se combustiona generando gases que proporcionan la energía cinética directamente a través, o no, de toberas. Su comburente ha de ser comprimido anteriormente a su combustión.

Motores de Combustión Externa

En un motor de combustión externa, la combustión ocurre en un fluido diferente al de trabajo.

Componentes de un Motor de Combustión Externa

• Generador de calor.
• Intercambiador de calor.
• Fluido.
• Motor.

Ventajas del Motor de Combustión Externa

• Puede quemar cualquier tipo de combustible.
• Bajo nivel de ruido.
• Posibilidad de trabajar con distintas fuentes de energía.

Ejemplos de Máquinas de Combustión Externa

• Motor Stirling.
• Turbinas de vapor.
• Máquinas de vapor.

Motores de Reacción

Un motor térmico de reacción es un motor de combustión interna dinámico. Se caracterizan por ser máquinas cuya finalidad es el empuje por energía cinética, bien por energía cinética directa de la combustión o bien por expansión en la tobera.

Diferencias entre Turborreactor y Estatorreactor

• Estatorreactor: No tiene eje, usa un difusor para la compresión, la combustión aplica energía cinética al fluido y el empuje es por energía cinética directa de la combustión.
• Turborreactor: Tiene eje, usa un compresor axial para la compresión, la combustión aporta energía interna al fluido y el empuje se da por la expansión en tobera.

Cronología de las Máquinas Térmicas

1. Eolípila (Herón).
2. Máquina de vapor alternativa (Savery, Newcomen).
3. Motor de aire (Stirling).
4. Motor alternativo de encendido provocado (Otto).
5. Motor alternativo de encendido por compresión (Rudolf Diesel).
6. Turbina de vapor (De Laval).
7. Turbina de gas (Holtzwarth).
8. Reactor (Whittle).
9. Nanoturbina de gas.

Aplicaciones y Potencias

¿Cuándo se instala una Turbina de Gas y cuándo un Motor Alternativo?

Una turbina de gas se instala cuando se requieren grandes potencias en espacios reducidos, y un motor alternativo para pequeñas o medianas potencias.

Potencia de una Nanoturbina y un Transbordador Espacial

• Nanoturbina de combustión interna: Aproximadamente 50 milivatios.
• Cohete propulsor de un transbordador espacial: Aproximadamente 37 x 10⁶ vatios (37 megavatios).

Motores Especiales

Motor Stirling

El motor Stirling funciona con cualquier fuente de calor y permite el uso de combustibles no fósiles. El foco frío es el medio ambiente y el caliente es el que se le aporta al lugar donde se aloja el cilindro.

Ventajas del Motor Stirling

• Funciona con cualquier fuente de calor.
• Permite el uso de combustibles no fósiles.

Motor Wankel

El motor Wankel, diseñado por Felix Wankel, tiene un 40% menos de piezas y la mitad de volumen que un motor convencional. Presenta muy poca vibración y no tiene problemas con la disipación de calor. Exhibe una curva excepcionalmente alta de relación de transmisión de transformación de potencia-peso y una buena curva del esfuerzo de torsión a todas las velocidades del motor. La ventaja más importante es que dentro del compartimento del rotor están ocurriendo cuatro ciclos simultáneamente, dando un empuje constante.

Ventajas del Motor Wankel

• 40% menos de piezas.
• Mitad de volumen.
• Muy poca vibración.
• Buena disipación de calor.
• Alta relación potencia-peso.
• Buen esfuerzo de torsión a todas las velocidades.
• Empuje constante.