Termodinámica y Máquinas Térmicas: Funcionamiento y Tipos

Termodinámica y Máquinas Térmicas

Conceptos Básicos

El principio de funcionamiento de los circuitos frigoríficos es el ciclo reversible de Carnot, pero ahora con recorrido inverso. El principio frigorífico extrae del foco frío una cantidad de calor Q2 y cede al foco caliente Q1. Elementos:

• Condensador (foco caliente, T1)
• Evaporador (foco frío, T2)
• Compresor (eleva P y T del fluido)
• Expansor o turbina (donde el líquido disminuye P y T)

Cuatro etapas: el compresor aumenta adiabáticamente P y T. El trabajo del compresor es absorbido. El fluido llega al condensador, refrigerándose con agua fría. El fluido se licúa, cediendo calor al agua (Q1). La temperatura es constante. En el expansor, el líquido se expansiona adiabáticamente y vaporizándose. Llega al evaporador, evaporizándose casi totalmente a P=k, absorbiendo una cantidad de calor Q2 del recinto a enfriar. Es isotérmica.

Sin embargo, es posible utilizar este dispositivo para ceder la máxima cantidad de calor posible Q1 a un sistema foco caliente, absorbiendo calor del ambiente que se encuentra a una temperatura inferior. Este dispositivo recibe el nombre de bomba de calor. También se puede utilizar como refrigerador con solo dotar al equipo de una válvula reversible que intercambie las funciones del evaporador y del condensador.

En las máquinas frigoríficas de compresión, la diferencia de presión necesaria para que el fluido frigorífico recorriese el ciclo era suministrada por un compresor accionado por un motor eléctrico, lo que suponía la existencia de un sistema mecánico provisto de piezas móviles que acarreaban problemas de lubricación, vibración, ruido, etc. Para solucionarlos, pueden utilizarse instalaciones de refrigeración por absorción, cuyo fundamento se basa en la capacidad que presentan algunas sustancias para absorber los vapores de otras. Los sistemas más utilizados son amoníaco-agua y agua-bromuro de litio.

El calor, entendido como energía, pasa de un cuerpo a otro, se absorbe por este, incrementando la energía que poseen las partículas que lo constituyen. El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor Q que es preciso comunicar a un gramo de dicha sustancia para aumentar su temperatura 1ºC.

La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media de las partículas (moléculas) constituyentes del cuerpo, a cuyo cuadrado es directamente proporcional.

La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa, estableciendo primeramente las equivalencias entre trabajo y calor y determinando, después, en qué condiciones puede obtenerse trabajo a partir de energía térmica. Se entiende por sistema termodinámico a una pequeña parte del universo separada de todo aquello que lo rodea. Puede ser:

• Homogéneos (composición interna uniforme)
• Heterogéneos (composición interna no uniforme)
• Abiertos (pueden intercambiar materia y energía con el exterior)
• Cerrados (imposible intercambiar materia, pero sí energía con el exterior)
• Aislados (imposible intercambiar materia y energía con el exterior)

Las formas de las que pasan de un estado a otro en un sistema termodinámico son:

• Isócora: se produce a volumen constante.
• Isóbara: se produce a presión constante.
• Isoterma: se produce a temperatura constante.
• Adiabática: se produce sin intercambio de calor.

Se conoce como ciclo de Carnot a un proceso cíclico simple compuesto por dos transformaciones isotermas y dos adiabáticas y que tiene lugar reversiblemente. El gas, inicialmente a T, foco caliente, se expansiona isotérmicamente desde el volumen V1 a V2, absorbiendo calor y realizando trabajo contra el exterior. El gas se expansiona adiabáticamente de V2 a V3, produciendo trabajo y disminuyendo su T. El gas se comprime isotérmicamente a T2, cediendo calor y recibiendo trabajo exterior. Tiene lugar una compresión adiabática, recuperando el gas V1 y T. El rendimiento de un ciclo de Carnot depende exclusivamente de las temperaturas absolutas de los focos caloríficos, siendo independiente de la naturaleza del sistema.

Clasificación de Máquinas Térmicas

Podemos distinguir entre máquinas de combustión externa e interna. En las de combustión externa hay 2 tipos:

• Alternativas (máquina de vapor, motor Stirling)
• Rotativas (turbina de gas)

En cuanto a las de combustión interna existen:

• MEP (motor Otto y de 2T)
• MEC (diésel)
• Turbinas de gas en circuito abierto
• Máquinas frigoríficas
• Reversibles
• Bombas de calor

Tipos de Máquinas Térmicas

Máquina de Vapor

Los órganos principales de la máquina de vapor son:

• Hogar: exterior de la máquina. En él se realiza la combustión.
• Caldera: recipiente de acero donde se genera el vapor de agua. El agua se calienta y se vaporiza, pasando a continuación a un sobrecalentador conectado a ella misma, donde se eleva más su temperatura.
• Cilindro motor: constituido esencialmente por la caja de distribución, la corredera y el émbolo.
• Órganos transformadores del movimiento: los más importantes son el vástago, la biela y la manivela, tres varillas articuladas que transforman el movimiento alternativo del émbolo en movimiento circular.

Turbina de Vapor

El agua, distribuida por 4 tubos, actúa directamente sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar con una velocidad muy grande. Tiene una gran ventaja sobre la máquina de vapor: carece de cilindro y de órganos de transformación del movimiento, por ello, su rendimiento es mayor.

Ciclo de Otto

• 1er tiempo (admisión, 0-1): baja el pistón, se abre la válvula de admisión y entra la mezcla.
• 2º tiempo (compresión, 1-2): sube el pistón, se cierran las válvulas y se comprime la mezcla.
• 3er tiempo (explosión-expansión, 2-3 y 3-4): cuando el pistón está en la parte más alta, salta la chispa en la bujía y explota el combustible, lanzando el pistón hacia abajo.
• 4º tiempo (escape, 4-1 y 1-0): se abre la válvula de escape y el pistón, al subir, expulsa los gases.

Motores de 2 Tiempos (2T)

Como intento de duplicar la potencia por cada cilindro, se diseñó un motor que realizara el ciclo en dos carreras. Carecen de válvulas y levas, y la admisión y salida de los gases se produce por lumbreras (orificios en la pared).

• 1er tiempo: cuando el pistón está en el PMS, se inflama la mezcla, los gases se expanden hasta que el pistón descubre la lumbrera de escape. A medida que baja el pistón, comprime el fluido de debajo del cárter, descubriendo la válvula de transferencia y dejando pasar el líquido.
• 2º tiempo: el pistón asciende desde el PMI hasta que cierra las lumbreras, comenzando la compresión, y en el PMS se quema la mezcla. En ese instante, se deja abierta la lumbrera de admisión y entra líquido en el motor.

Motor Diésel (MEC)

En los motores diésel no existe carburador, ni tampoco sistema de encendido. El motor admite aire puro a la presión atmosférica (0-1) y lo comprime adiabáticamente (1-2). Se introduce el gasóleo a 70 atm de forma controlada por una bomba inyectora, con lo que la mezcla se inflama a presión constante (2-3), avanzando el pistón. Cuando este llega a la décima parte del recorrido, cesa la inyección y el gas se expansiona adiabáticamente (3-4). En el momento en que el émbolo alcanza el PMI, se abre la válvula de escape y la presión desciende a 1 atm. Se expulsan los gases y se reanuda el ciclo.

Sobrealimentación

Sistema para incrementar la potencia de los motores de combustión interna. Consiste en aumentar la cantidad de mezcla admitida. Se consigue aumentando la presión del aire o de la mezcla. Para ello, se incorpora un compresor accionado por una turbina movida por los gases de escape (turbocompresor). Como los gases se calientan a la salida del compresor, y este aumento de temperatura no resulta conveniente para aumentar la potencia, se suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, para enfriar los gases antes de que penetren en el motor (intercooler).

Turbina de Expansión

Constituidas fundamentalmente por un compresor, una o más cámaras de combustión y la turbina. Las cámaras se cargan con aire. Cuando una cámara está ya cargada, se cierra la válvula de admisión y se introduce el combustible, que explosiona por acción de una chispa, incrementándose bruscamente la presión. En ese momento, se abre la válvula de escape.