Motores Térmicos y Sistemas de Refrigeración: Funcionamiento y Clasificación

¿Qué es un Motor Térmico?

Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo.

Tipos de Motores de Combustión

Motor de Combustión Interna

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.

Motor de Combustión Externa

Un motor de combustión externa es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, moverá un pistón o una turbina.

Clasificación de los Motores Térmicos Según la Obtención de Energía Mecánica

• Motores alternativos: En los cuales el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotando de movimiento alternativo de subida y bajada.
• Motores rotativos: En los que el fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas.
• Motores de chorro: En los que el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.

Conceptos Clave en Motores Térmicos

• Calor de combustión: El calor de combustión de un combustible es la cantidad de calor liberada por unidad de masa o por unidad de volumen cuando el combustible se quema por completo.
• Dosado: El dosado es la relación de combustible aire en la combustión. Cuando esta relación es la precisa, se denomina dosado estequiométrico.

Tipos de Ignición en Motores de Combustión Interna

• Ignición por chispa eléctrica o de encendido provocado: El encendido se produce en la mezcla de combustible y aire por la bujía que genera una chispa y provoca la ignición.
• Ignición por compresión: El tiempo de admisión solo permite que entre el aire, este aire es comprimido hasta el punto que al inyectar el combustible, este se inflama.

Balance Energético de un Motor Térmico

En un motor térmico típico de automóvil, solamente la mitad de la energía se emplea en el ciclo termodinámico; el resto se pierde por conducción con las paredes del cilindro y por radiación. Como el rendimiento termodinámico no es excesivamente alto, al final llega a aprovecharse una cuarta parte del poder calorífico.

Comparación del Rendimiento entre los Ciclos Diesel y Otto

En ambos ciclos, al principio, se tiene una evolución a presión constante (admisión), luego empieza el ciclo de compresión (es igual en ambos). Pero de acá en adelante viene la diferencia: mientras que en el ciclo Otto, al finalizar la compresión, viene un aumento repentino de la presión con un mismo volumen, generada por la explosión; en el ciclo Diesel, cuando finaliza la compresión, empieza una evolución a presión constante (esa es la inyección), el pistón se mueve por la fuerza de la expansión de los gases. Después, en ambos ciclos, viene una evolución adiabática que es el escape.

Sistemas de Lubricación y Refrigeración en Motores

Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto, en todo motor es necesaria una adecuada lubricación. Si no existiera esta lubricación, el material se desgastaría rápidamente por su excesivo calor, llegando incluso al agarrotamiento o gripaje. Las partes más importantes de lubricación son las paredes del cilindro, las articulaciones de las bielas, los cojinetes del cigüeñal, el árbol de levas, los taqués, las válvulas, los balancines y los engranajes. La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión. La refrigeración del motor se realiza por aire o por agua.

Componentes de un Sistema de Refrigeración

• Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.
• Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador, el refrigerante cambia de fase, pasando de gas a líquido.
• Sistema de expansión: El refrigerante líquido entra en el dispositivo de expansión, donde reduce su presión. Al reducirse su presión, se reduce bruscamente su temperatura.
• Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que, al igual que el condensador, es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor

Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor que la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía eléctrica mediante un motor eléctrico.

Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía mediante calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción, es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualen.