Motor térmicu

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Diagrama d'una máquina térmica motora.

Un motor térmicu ye una máquina térmica que tresforma calor en trabayu mecánicu[1] per mediu del aprovechamientu del gradiente de temperatura ente una fonte de calor (focu caliente) y un sumidoriu de calor (focu fríu). El calor tresferir de la fonte al sumidoriu y, mientres esti procesu, daqué del calor convertir en trabayu per mediu del aprovechamientu de les propiedaes d'un fluyíu de trabayu, usualmente un gas o'l vapor d'un líquidu.

El calor necesario pal funcionamientu d'una máquina térmica vien de la enerxía química lliberada nuna combustión, siendo absorbíu por un fluyíu motor que pon en movimientu una serie de pieces mecániques.

Si la combustión tien llugar fuera del motor, les máquines reciben el nome de máquines de combustión esterna, y si la combustión tien llugar dientro de la máquina, les máquines reciben el nome de máquines de combustión interna. El movimientu producíu pue ser alternativu o rotativu.

El fluyíu motor suel ser el vapor d'agua, el aire o l'amiestu de gases resultantes de la combustión del petroleu o de gases combustibles.[2] Nos motores de combustión interna la combustión realizar nel fluyíu motor, y nos motores de combustión esterna esisten dos fluyíos, onde s'intercambia calor ente dambos. Nes centrales nucleares el calor vien de la enerxía lliberada na fisión nuclear del uraniu o del plutoniu, siendo estrayíu por una sustanza refrigerante que lo dexa a un circuitu secundariu al traviés d'un cambiador de calor.

Historia[editar | editar la fonte]

En 1765 l'escocés James Watt fabricó la primera máquina de vapor eficiente, y significó amás l'empiezu de la Revolución Industrial, nacida de resultes de la sustitución del esfuerzu muscular pol trabayu de les máquines. La máquina de vapor foi un trunfu de la teunoloxía que fixo surdir fábriques na mayoría de países, coles mesmes qu'alzaba'l nivel de bienestar de la sociedá.

Un sieglu más tarde los motores de combustión interna revolucionaron el tresporte terrestre, marítimu y aereu. La ciencia dio llugar al Sistema Internacional d'Unidaes.

Máquina de vapor[editar | editar la fonte]

La máquina de vapor ye una máquina de combustión esterna qu'aprovecha la fuerza espansivo del vapor d'agua pa mover un émbolu y producir trabayu.

Hestoria de la máquina de vapor[editar | editar la fonte]

En 1691, el inxenieru militar inglés Thomas Savery foi pioneru n'utilizar la presión del vapor d'agua pa estrayer agua de minas y pozos y mover una rueda hidráulica. De normal la presión del vapor d'agua solía españar calderes y tuberíes, y amás, yera pocu eficaz porque se perdía'l calor del vapor d'agua cada vez que s'esfrecía'l recipiente.

En 1698 Thomas Savery patentó'l so descubrimientu, y el ferreru inglés Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta, que trabayaba a baxes presiones. Amás, cuntaba con un pistón y un cilindru. Cola presión del aire podía mover el pistón.

En 1765 el mecánicu escocés James Watt ameyoró la máquina de Thomas Newcomen, y en 1782 construyó la primer máquina de vapor.

En 1787 el inventor estauxunidense John Fitch construyó un barcu de vapor, anque ésti fracasó financieramente.

En 1807 Robert Fulton botó'l Clermont, el primer barcu de vapor.

En 1814 l'inglés George Stephenson construyó la primera locomotra de vapor.

Funcionamientu de la máquina de vapor[editar | editar la fonte]

  • Llar: Esterior de la máquina, onde se realiza la combustión.
  • Caldera: Recipiente d'aceru onde se xenera vapor d'agua. Va provista d'un nivel d'agua pa reparar l'altor d'ésta, un manómetru pa midir la presión interior, y una válvula de seguridá que s'abrir cuando la presión algama un determináu valor, evitando asina que se produza una esplosión. L'agua ye impulsada por una bomba y enfusa na caldera n'estáu líquidu, a alta presión y a temperatura ambiente. Na caldera l'agua calezse y se vaporiza pasando a un sobrecalentador conectáu a la caldera, onde la temperatura aumenta y caltiense la presión. El vapor d'agua pasa finalmente al cilindru.
  • Cilindru motor: Ta constituyíu pola caxa de distribución, la corredera y l'émbolu. El vapor d'agua enfusa na caxa de distribución y entra en contactu col émbolu al empar que'l vapor d'agua ye emburriáu escontra un furu por onde escapa dirixiéndose escontra la chimenea o al condensador. Nel condensador, el vapor restante se licúa y vence al refrigerante. El líquidu entestáu ye unviáu nuevamente pola bomba a la caldera, completando asina'l ciclu.
  • Órganos tresformadores del movimientu: Estos órganos son el renuevu, la biela y la rabil, tres varilla articulaes que tresformar el movimientu alternativu del émbolu en movimientu circular. El renuevu ta xuníu a la biela per mediu d'una cruceta. El rabil xira a un volante d'inercia, que la so misión ye caltener constante la velocidad angular. El volante lleva acopláu una excéntrica, que regula'l movimientu de la corredera.

Ciclu de Rankine[editar | editar la fonte]

Esquema d'una máquina de Carnot.
Procesu del cilo de Rankine.

El procesu d'espansión del vapor d'agua contra l'émbolu ye adiabático pero non reversible, polo que nun ye isoentrópico.

Por que una máquina térmica siguiera'l ciclu de Carnot habría que detener la condensación del vapor primero que se licue por completu y, per mediu d'un compresor, consiguir que la entemez vapor-líquidu algame'l so licuación completa a la temperatura de la caldera.

Como esto resulta imposible, el inxenieru escocés J. M. Rankine propunxo un cambéu del ciclu de Carnot, denomináu ciclu de Rankine.

  1. L'agua líquido de la caldera absuerbe'l calor del llar, alza la so temperatura a presión constante. Calteniendo la temperatura y la presión constantes tresformar en vapor enchíu y secu reversiblemente.
  2. El vapor enchíu espandir nel interior de la máquina de forma adiabática y reversible, hasta algamar la temperatura del refrixerador y entiéstase. El trabayu nesti casu ye positivu.
  3. Prosigue la condensación a temperatura y presión constantes, formándose asina líquidu enchíu.
  4. El líquidu enchíu estruyir hasta algamar la temperatura y la presión de la caldera.

Nun ciclu de Rankine con sobrecalentamientu, la temperatura medio a la que s'absuerbe'l calor implica un mayor rendimientu. El vapor permanez secu mientres tola espansión adiabática, polo que mengua los peligros a la escomiu.

Potencia de la máquina de vapor[editar | editar la fonte]

La potencia d'una máquina de vapor depende de la presión y la cantidá de vapor d'agua almitida pol cilindru na unidá de tiempu. Como la presión varia, considérase un valor promediu llamáu presión media efectiva.

La cantidá de vapor d'agua per unidá de tiempu ye igual al volume del cilindru correspondiente a cada revolución multiplicáu pol númberu de revoluciones n'unidá de tiempu. El volume calcúlase multiplicando la seición del émbolu pol llargor de la carrera.

siendo

  • la potencia de la máquina, *

la presión media efectiva, * el llargor de la carrera, * la seición del émbolu, * el númberu de revoluciones per unidá de tiempu.

Cuando'l vapor d'agua actúa sobre dambes cares del émbolu, la potencia teórica desenvuelta ye'l doble d'esti valor.

Por causa de esfregadures y otres perdes, realmente la potencia suel ser un 70 o un 90% que la potencia citada.

El tamañu de la máquina de vapor llindar a potencies de 1000 CV, a velocidaes de 213 m/min, a presiones de 14 kp/cm², a temperatures de 315 °C y a rendimientos del 30%.

Les máquines de vapor utilizáronse como órganos motrices de llocomotores, y barcos. Anguaño fueron sustituyíes por motor de combustión motores de combustión.

Turbina de vapor[editar | editar la fonte]

Na turbina de vapor el vapor d'agua distribuyir por cuatro tubos y actúa directamente sobre les paletes d'una rueda, faciéndola xirar con una velocidá d'unes 10.000 rpm.

La turbina de vapor escarez de cilindru motor y d'órganos tresformadores del movimientu, polo que'l rendimientu ye mayor.

Anguaño la turbina de vapor emplegar nes centrales eléctriques, na propulsión de buques y nes instalaciones soplantes de altos fornos.

Postulaos de la termodinámica[editar | editar la fonte]

Artículu principal: Termodinámica
  1. Sía'l que quier el procedimientu emplegáu pa convertir el calor en trabayu o viceversa, esiste una relación constante ente'l trabayu desenvueltu y el calor consumíu, siempres que l'estáu final del sistema sía igual al inicial (ciclu termodinámicu). L'equivalente mecánicu del calor ye 427kgm/kcal o nel sistema de normes internacionales ISO 4184 julioa/1000cal.
  2. Una máquina térmica namái puede efectuar trabayo si absuerbe calor d'un manantial a temperatura cimero y dexar en parte a otru a temperatura inferior. Esto ye, el calor nun puede tresferise bonalmente d'un cuerpu más fríu a otru más caliente.

Principiu básicu de funcionamientu[editar | editar la fonte]

Nun motor térmicu prodúcense una serie de tresformamientos que conducen a un estáu inicial (esto ye, tien un ciclu zarráu). Nel intre d'estos tresformamientos, el motor recibe enerxía térmica en forma de calor y devuelve enerxía mecánica en forma de trabayu.

Eficiencia de los motores térmicos[editar | editar la fonte]

La eficiencia de dellos motores térmicos propuestos o usaos anguaño bazcuya ente'l 3 % (97 % de calor desperdiciado) pa los sistemes de conversión d'enerxía térmica del océanu, el 25 % pa la mayor parte de los motores d'automóviles, el 35 % pa una planta xeneradora de carbón supercrítico, y el 60 % pa una turbina de gas de ciclu combináu con enfriamientu de vapor. Toos estos procesos llogren la so eficiencia (o la pierden) por cuenta de la depresión de la temperatura al traviés d'ellos. Por casu, los sistemes de conversión d'enerxía térmica del océanu empleguen una diferencia de temperatura ente l'agua sobre la superficie y l'agua nes fondures del océanu, esto ye, una diferencia de seique 25 ºC, polo que la eficiencia tien de ser baxa. Les turbinas de ciclu combináu utilicen quemadores de gas natural pa calecer aire hasta cerca de 1530 ºC, esto ye, una diferencia d'hasta 1500 ºC, polo que la eficiencia puede ser mayor cuando s'añedir el ciclu d'enfriamientu de vapor.

Clasificación de los motores térmicos[editar | editar la fonte]

Pa la clasificación de los motores térmicos, amás de los criterios yá mentaos nel casu de máquines de fluyíu, tener en consideración dos aspeutos adicionales:

  • Si'l fluyíu ye condensable (agua) o non condensable (aire).
  • Si'l procesu ye de combustión esterna o interna.

Motores de combustión interna[editar | editar la fonte]

Motor antiguu de combustión interna.

El fundamentu de los motores de combustión interna ye la realización de la combustión nel interior del cilindru de la máquina, nos que l'axente motor ye'l combustible entemecíu col aire necesario pa la combustión.

Esisten distintos tipos de máquines de combustión interna dependiendo del combustible utilizáu, les condiciones de la combustión y el númberu de carreres qu'efectúa'l pistón nun ciclu. El movimientu puede ser alternativu, que lo realicen los motores d'esplosión y de combustión, o rotativu, que lo realicen les turbinas de d'esplosión y de combustión.

Nes máquines de movimientu alternativu, la combustión ye instantánea, producida por una chispa eléctrica, teniendo d'utilizase combustibles gaseosos o líquidos bien volátiles, como por casu la gasolina. Nes máquines de movimientu rotativu realizar d'una forma progresiva y a presión constante, utilizándose como combustibles líquidos menos volátiles, como por casu el gasóil.

Nes máquines de combustión interna, los gases de la combustión son los que circulen pola mesma máquina. Nesti casu, la máquina va ser necesariamente de ciclu abiertu, y el fluyíu motor va ser l'aire (non condensable) emplegáu como comburente na combustión.

Motores de combustión interna


Rotativu Turbomáquina Turbina de gas de ciclu abiertu |----- Volumétrico Motor Wankel, Quasiturbina
Alternativu Encendíu por compresión Motor diésel
Encendíu provocáu Motor d'esplosión (Otto, Miller, d'amiestu probe, de Ciclu Atkinson)
Reacción

Cohete espacial de propulsante líquidu/sólidu |-----

Aerorreactor ensin compresor Estatorreactor
Pulsorreactor
Aerorreactor con compresor Turborreactor
Turbofán
Turbohélice

Motores d'esplosión o d'encendíu provocáu (MEP)[editar | editar la fonte]

El motor d'esplosión d'usu más común ye'l motor de cuatro tiempos, que ta formáu polos siguientes componentes.

  • Inyector: Dispositivu mecánicu o eléctricu encargáu d'inyectar la gasolina nel cilindru o nel conductu d'almisión. Los motores d'esplosión antiguos llevaben un carburador, onde se pulverizaba la gasolina y entemecíase col aire.
  • Cilindru: Ta constituyíu pol cuerpu de la bomba, un émbolu, una válvula d'almisión y otra válvula d'escape, y una buxía. Nel cilindru realiza la esplosión del carburante, aniciándose un movimientu alternativu de pistón o émbolu. L'émbolu tien una forma de vasu invertíu y ta xuníu a la biela per mediu d'un bulón, hai de ser resistente a los esfuerzos mecánicu y térmicu y va provistu de segmentos agospiaos en ranuras na parte cimera.
    • Les válvules d'almisión y d'escape dexen la entrada del combustible y la salida de los gases de combustión. Tán asitiaes na culata, sobre'l cilindru, y caltiénense na so posición de zarru por aciu un muelle, abrir escontra l'interior per mediu d'una lleva. Les lleves asitiar nel árbol de lleves, que ta sincronizáu col cigoñal.
      • La culata ye una pieza que cierra los cilindros na zona de combustión, y ta acoplada per mediu de pernos. Les temperatures elevaes que s'algamar na culata rique un sistema de refrigeración, que puede ser per aire o per agua. El sistema de refrigeración per aire dota a los cilindros d'aletes d'enfriamientu, y el sistema de refrigeración per agua circula ente la cubierta de cilindru y culata, onde l'agua percuerre'l circuitu impulsada por una bomba y esfrezse nel radiador per mediu d'una corriente d'aire producida por un ventilador.
    • La buxía ta formada por dos electrodos separaos unos 0,5 mm. Unu d'ellos ta xuníu a una masa, y otru procede del distribuidor, dambos aisllaos eléctricamente. La buxía produz una chispa qu'españa'l carburante.
  • Órganos tresformadores del movimientu: Los órganos tresformadores del movimientu son la biela-rabil y el cigoñal, que tresformen el movimientu alternativu del pistón en movimientu circular. La biela tresmite l'esfuerzu del pistón al cigoñal, y ésti tresmite la potencia desenvuelta nos cilindros del árbol motor. Los cilindros, la biela-rabil y el cigoñal zarrar nel bastidor-cráter, que tien de ser resistente pa soportar los esfuerzos provocaos nel pistón, y amás protexe a tolos elementos, y sirve de depósitu de llubricante.
    • Ye necesariu una lubricación por cuenta de la cantidá de pieces móviles, non solamente p'aumentar el rendimientu, sinón pa evitar deterioros. Deben lubricarse especialmente les parés del cilindru, les articulaciones de les bieles, l'árbol de les lleves, les válvules, los cojinetes del cigoñal y los engranajes. La lubricación llevar a cabu por aciu un circuitu d'aceite a presión. El aceite atopar nun cárter, dende onde se distribúi per mediu d'una bomba.

Ciclu de Otto[editar | editar la fonte]

Una máquina térmica sigue'l ciclu escurríu en 1862 por Beau de Rochas y usáu per primer vegada en 1877 por Nikolaus Otto, denominando asina al ciclu como ciclu de Otto.

El ciclu de Otto efectuar por un gas perfecto, y consta de dos procesos adiabáticos y dos isocoros, que reciben el nome de tiempos.

  • Primer tiempu: Almisión. Baxa'l pistón, ábrese la válvula d'almisión y entra por aspiración el carburante y l'aire nel cilindru.
  • Segundu tiempu: Compresión. Xube'l pistón, ciérrense les válvules y estrúyese el carburante.
  • Tercer tiempu: Esplosión-espansión. Al algamar la máxima compresión salta la chispa de la buxía, españa'l carburante y llanza el pistón escontra baxo. Mientres esti procesu'l pistón asitiar na parte más alta, y les válvules permaneces zarraes.
  • Cuartu tiempu: Escape. Ábrese la válvula d'escape y el pistón espulsa los gases.

El rendimientu del ciclu de Otto vien dáu pola espresión:

onde R ye'l grau de compresión de la mezla, y ye'l coeficiente adiabático.

Nos motores de gasolina esiste una llende percima del cual nun puede alzase'l grau de compresión, yá que a temperatures y presiones alzaes el carburante españa antes de saltar la chispa. Dizse que s'algamó'l nivel de autoignición.

Esta [[detonación produz un choque oyible que perxudica al motor y mengua el rendimientu. Añediendo sustances antidetonantes o catalizadores consíguese graos de compresión de 8 a 10.

Les razones pol baxu rendimientu son les siguientes:

  • La combustión nun suel ser completa, y produzse monóxidu de carbonu.
  • Esiste un intercambiu de calor ente los gases y parés, lo qu'obliga a esfrecer el cilindru.
  • La combustión nun se verifica de forma instantánea, y tien llugar un aumentu de volume. Pa correxilo realízase una meyora d'encendíu, que consiste en provocar la esplosión primero que'l pistón realizara'l tiempu.
Octenaje d'una gasolina[editar | editar la fonte]

Les gasolines d'alto poder antidetonante son aquelles nes que predominen los hidrocarburos cícliclos y los hidrocarburos de cadena ramificada, qu'españen con mayor dificultá. Pa comparar les propiedaes antidetonantes utilízase'l índiz o númberu de octano, onde se tomen como hidrocarburos el isooctano y el n-heptano, a los que s'asignen poderes antidetonantes de 100 y 0.

L'índiz o númberu de octano ye'l tantu per cientu en volume de isooctano nun amiestu de isooctano y n-heptano que tenga'l mesmu poder antidetonante que la gasolina.

La gasolina d'aviación tien un númberu de octano cimeru a 100, y consten d'un 20% de hidrocarburos arumosos.

Pa menguar la detonación y aumentar l'índiz o númberu de octano d'una gasolina, d'antiguo utilizábense antidetonantes, qu'actuaben como catalizadores negativos de les reacciones de combustión de los hidrocarburos. El más completu foi'l tetraetilo de chombu, que s'añedir un 0,1% a la gasolina. Al españar la gasolina quedaben llibres chombu metálicu y óxidu de chombu, qu'estropiaben el motor y contaminaben el aire. Anguaño utilícense gasolines ensin chombu emplegando otru tipu de catalizadores.

Motores de combustión esterna[editar | editar la fonte]

Les causes que llinden el rendimientu de les máquines de combustión esterna anicien na imposibilidá d'algamar temperatures elevaes na caldera, por cuenta de la presión que s'algamar; y la dificultá de consiguir un aprovechamientu de la enerxía calorífica del carbón y otru combustible.

Si la combustión ye esterna, el calor de la combustión tresferir al fluyíu al traviés d'una paré, por casu nun intercambiador de calor. Esti tipu de máquines nun esixe un procesu de combustión, como asocede nes instalaciones nucleares, magar ye'l procedimientu avezáu. Cuidao que el fluyíu motor nun sufre degradación dalguna, estes máquines pueden ser de ciclu zarráu, a lo qu'anguaño se tiende por razones económiques.

Motores de combustión esterna


Fluyíu
condensable
Turbomáquina Turbina de vapor ciclu abiertu o zarráu |-----

Máquina de vapor ciclu abiertu o zarráu |-----

Fluyíu non
condensable
Turbomáquina Turbina de gas de ciclu zarráu |----- Alternativu Motor Stirling
NOTA: Los motores volumétricos rotativos y de reacción nun fueron desenvueltos.

Bibliografía[editar | editar la fonte]

  • (2014) Tecnología industrial II (en Español). Everest Sociedá Anónima. ISBN 9788424190538.

Referencies[editar | editar la fonte]

  1. Flórez. Máquines térmiques motores (volum I) (en es). Univ. Politèc. de Catalunya. ISBN 9788498802047.
  2. Tecnología Industrial II (en es). Ediciones Paraninfu, S.A.. ISBN 9788428333085.

Ver tamién[editar | editar la fonte]


Motor térmico