Máquinas térmicas: Principios, funcionamiento y aplicaciones

 

MAQUINAS TÉRMICAS: PRINCIPIOS, FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES

• Clasificación de las máquinas térmicas
•  Motores de combustión interna alternativos(MCIA)
• Turbinas de vapor
• Turbinas de gas

 

Nota: Aunque las máquinas frigoríficas son tambien máquinas térmicas, no serán objeto de estudio este curso

 

• Clasificación de las máquinas térmicas

Se pueden establecer varias clasificaciones atendiendo al fluido de trabajo o funcionamiento mecánico por ejemplo:   

Fluido de trabajo	· Máquinas de reacción interna: El trabajo lo realizan los gases procedentes de la combustión  (motores de combustión interna alternativos “MCIA” y turbinas de gas) · Máquinas de reacción externa: El fluido de trabajo es vapor de agua procedente del aporte  de  calor al agua (turbinas de vapor ).
Funcionamiento Mecánico	· Máquinas de combustión interna alternativas (MCIA ) · Máquinas rotativas (turbinas de gas y vapor)

 

• Motores de combustión interna alternativos(MCIA)
• Breve historia

La historia de los motores de combustión interna es relativamente reciente. Comienza en la segunda mitad del siglo pasado. Históricamente el motor de combustión interna fue un perfeccionamiento del motor de combustión externa o máquina de vapor; así como posteriormente la turbina de gas de ciclo abierto de combustión interna fue a su vez un ulterior desarrollo del motor alternativo de combustión interna. Al desarrollo espectacular de los motores de combustión interna han contribuido un gran número de investigadores de los principales países industrializados del mundo.
He aquí algunas de las fechas históricas en el primitivo desarrollo de los motores de combustión interna.
- 1857 : BARSANTI Y MATTEUCCI construyen el primer motor de explosión: combustible, pólvora de arma de fuego; motor vertical de pistón libre, que ascendía por la explosión y descendía por gravedad, conectando en el descenso un trinquete para accionar un eje.
- 1876 ;  OTTO, ingeniero alemán, construye el primer motor de explosión que alcanzó éxito, según el ciclo Otto por él desarrollado. Por ello Otto merece el nombre de inventor del motor de explosión, que se denomina también motor de encendido provocado en contraposición al motor Diesel o motor de autoencendido. Los primeros motores de este tipo funcionaban a 200rpm.
- 1881 ; CLARK, ingeniero escocés , construye el primer motor de dos tiempos. 
- 1882 ; DAIMLER, que se asocia primero con Otto y luego se independiza , construye un motor mucho más revolucionado, a 900 r.p.m. (los motores modernos funcionan frecuentemente por encima de las 4000 r.p.m. ).
- 1897 ; DIESEL, ingeniero alemán, construye el primer motor Diesel, monocilíndrico de 25 CV, después  de años de incansable trabajo y de la explosión de un prototipo con peligro de su vida. (Actualmente los grandes motores diesel son de varios kW).
- 1926 ; SEILIGER desarrolla el ciclo mixto que lleva su nombre.
El desarrollo de los motores de combustión interna continúa en la actualidad. A título de ejemplo, mencionaremos los estudios  que se realizan para la utilización de H2 y O2 líquidos, combustibles, y comburente respectivamente, para aplicaciones especiales y subacuáticas, e incluso terrestres, a fin  de eliminar la contaminación por los gases de escape.

 

• Motores de encendido provocado de cuatro tiempos (MEP)

Son los motores de gasolina aunque también pueden funcionar por otros combustibles como alcohol, butano, hidrógeno, etc.
Desde el punto de vista termodinámico, el funcionamiento de los motores de encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico teórico llamado ciclo OTTO.
Funcionamiento
· Básicamente el MEP se basa en un mecanismo cilindro-pistón que provoca un movimiento alternativo. En la parte superior del cilindro en donde se encuentran las válvulas en número de dos, tres, cuatro (comúnmente conocidos como 16Vsiempre que tenga cuatro cilindros) e incluso cinco (vehículos de grandes prestaciones), y  las bujías en número de una normalmente aunque aveces dos (ej.: Alfa Romeo Twin Spark). Éste tipo de motores en cada tiempo el cigüeñal da media vuelta.
El funcionamiento básico es el siguiente:

¯ a) Carrera de admisión: el cilindro desciende y se abre la válvula de admisión dejando entrar una mezcla aire-combustible.

• b)  Carrera de compresión: el cilindro comienza a subir comprimiendo la mezcla aire-combustible.
• c)  Tercer tiempo o expansión : la chispa de la bujía inflama la mezcla, y por la presión de los gases de la combustión el pistón es obligado a desplazarse hacia abajo efectuando su tercera carrera, que será la única útil o de trabajo mecánico (este se almacena en forma de energía mecánica en el volante de inercia).
• d) Cuarto tiempo o escape: de nuevo comienza el pistón a subir abriéndose la válvula de escape y cerrándose cuando el pistón llega arriba e iniciándose un nuevo ciclo.

Sus rendimientos reales oscilan alrededor del 30% ( 25-30%) .

Aplicaciones

• Automoción
• Motores de hélice de aviación (solo pequeños aviones)
• Propulsión marina (lanchas rápidas)
• Grupos electrógenos pequeños, motobombas, cortacésped, etc.

• Motores de encendido provocado de dos tiempos (MEP-2T)

En el ciclo de dos tiempos se realiza el ciclo completo en dos carreras de pistón. Son motores mucho más simples que los de cuatro tiempos pues no poseen válvulas ni distribución.

Funcionamiento
El funcionamiento básico es el siguiente:
­   a) Primera media vuelta de cigüeñal: el pistón sube comprimiendo la mezcla fresca y descubriendo una    
(admisión y compresión)            lumbrera(orificio situado en la parte inferior de la pared de cilindro)
o abriéndose una válvula por donde entra la mezcla al cárter. Se
produce la chispa y comienza a bajar el pistón.
¯   b) Segunda media vuelta de cigüeñal: casi al final de la bajada del pistón se descubre la lumbrera de       
(expansión +escape)                   escape o se abre la válvula de escape y se expulsan los productos                                                       
quemados (inicio de expulsión ). Poco después entra el
combustible que entró al cárter, a través de la lumbrera de
transferencia y entra mezcla fresca procedente del cárter
desalojando los productos quemados a través de la lumbrera de
escape.
El proceso es similar al 4T y la diferencia es que tiene aproximadamente un poco menos del doble de potencia por giro del cigüeñal, por el contrario el rendimiento es ligeramente menor porque se expulsa parte del combustible sin quemar (cortocircuito) y además en el cilindro en la fase de compresión junto con la mezcla fresca queda algo de gas quemado no desalojado.
En la cabeza del pistón suele haber una cresta para evitar en la medida de lo posible el proceso de cortocircuito

 

Aplicaciones
Las aplicaciones de los motores MEP de dos tiempos son en donde se requiere poco peso y no importa mucho la pérdida de combustible por el tubo de escape como motocicletas, cortacésped, aeromodelismo, etc.

• Motores de encendido por compresión de cuatro tiempos(MEC-4T)

Son los motores que usan como combustible el gasóleo y se ajustan al ciclo termodinámico que describe el ciclo Diesel.
Funcionamiento
El rendimiento del ciclo de Otto que sirve de base al funcionamiento de los motores de explosión viene limitado por la relación de compresión a la cual se produce la autoignición; sin embargo, si se comprime solamente aire y tras la compresión se introduce un combustible adecuado, se  pueden obtener rendimientos más altos. Éste es el fundamento de los motores Diesel, en los que si la compresión es elevada se produce una autoignición, teniendo lugar en vez de la explosión una combustión progresiva. Esta autoignición puede producirse directamente en la cámara de combustión (inyección  directa, ej.: Audi A4-TDI) ó en una precámara (inyección indirecta). Sintetizando las diferencias:

• El combustible se inyecta y es gasóleo.
• Por la válvula de admisión solo entra aire (por eso es más fácil poner turbo que en gasolina)
• El combustible se autoinflama.                                          

Aplicaciones

• Automoción y maquinaria de obras públicas y agrícola
• Propulsión ferroviaria.
• Propulsión marina.
• Accionamiento industrial y rural.
• Generación de energía eléctrica (centrales de punta generalmente)y equipos auxiliares en hospitales, etc.

Este tipo de motores es requerido donde se necesitan grandes potencias y una reducción de combustible.

 

• Motores de encendido por compresión de dos tiempos (MEC-2T)

     Se pueden establecer las mismas diferencias que con respecto al motor de gasolina. Sin embargo una diferencia fundamental es que al inyectar el combustible cuando yo deseo no pierdo tanto combustible. Por otra parte es más fácil la turboalimentación por lo que a este tipo de motores les espera un gran futuro, fundamentalmente en automoción con motores Diesel de 2T turboalimentados. Hoy en día se aplican sobre todo en motores de barcos llegando a un rendimiento del 46% (el mayor de un motor de combustión interna).

• Sobrealimentación

     La sobrealimentación es un sistema para incrementar la potencia de los motores de combustión interna, consistente un aumentar la cantidad de mezcla combustible admitida en el cilindro, con respecto a la que  entraría en él como consecuencia del simple movimiento del émbolo durante el tiempo de admisión.

La sobrealimentación se consigue aumentando la presión del aire o de la                                                  

mezcla combustible a la entrada del cilindro. Para ello se intercala en el
circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por
los gases de escape: este dispositivo recibe el nombre de turbo-compresor.
Como los gases se calientan a la salida del compresor, y este aumento
de temperatura no resulta conveniente para incrementar la potencia, se
suele instalar a la salida del compresor un intercambiador de calor, que
tiene como misión enfriar los gases antes de que penetren en el motor.
Este dispositivo se designa con el término inglés “ Turbo Intercooler”.

3_Turbinas de vapor
Las turbinas de vapor se basan en la cesión de energía del vapor de agua a los álabes de la turbina que tiene siempre varios escalonamientos.
La turbina de vapor, a diferencia de los motores Otto o Diesel, es un motor de combustión externa. La combustión se realiza fuera de la turbina en la caldera. Donde los gases de combustión no se mezclan con el fluido de trabajo.

• Breve historia

La turbina de vapor ha tenido, desde Laval (ingeniero sueco”1845-1913”), inventor de la primera turbina de acción y Parsons (ingeniero inglés “1854-1931”), inventor de la primera turbina de reacción de aplicación práctica hasta nuestros días, un desarrollo espectacular; dominando en la actualidad en el campo de las grandes potencias empleadas en la propulsión marina, y en las centrales térmicas de combustión fósil (carbón, o combustible líquido ).
Las centrales nucleares o, más aun,  las centrales eléctricas que utilizan energía solar, cuyo desarrollo se inicia en la actualidad, son también centrales con turbina de vapor.
Las turbinas de vapor se  construyen en la actualidad desde potencias inferiores a 1 kW hasta superiores a 1.000.000 kW, con tendencia a potencias aún más elevada.

b)        Ciclos de funcionamiento
Ciclo de turbina de vapor

c)     Aplicación de las turbinas de vapor.
Las aplicaciones principales de las turbinas de vapor se pueden reunir en tres grandes grupos: motor primario para producción de energía eléctrica, motor de propulsión de barcos y motor industrial de accionamiento de bombas, compresores, etc...
Los parámetros  han variado notablemente en los 40 últimos años de tal manera que el vapor a la entrada de la turbina se ha ido aumentando hasta sobrepasar presiones superiores a diez veces y las temperaturas a la entrada de la turbina se han duplicado.
Nota espectacular en el desarrollo de las turbinas de vapor ha sido el aumento constante de potencia unitaria. En 1900 la turbina de vapor de mayor potencia era de 5 MW, mientras que en la actualidad se mueven potencias superiores a 2000 MW, en un solo eje.
Las turbinas de vapor se utilizan en la actualidad en las centrales eléctricas (tanto de carbón, gasóleo o nucleares ), en la propulsión de buques y en las instalaciones soplantes de hornos altos, resultando interesante su uso en aquellas industrias (como el del papel ) que precisen tanto de vapor como energía eléctrica. Las ventajas, desde el punto de vista del ahorro energético que representan estos procesos de cogeneración hacen que su utilidad se vaya extendiendo cada vez más.

4._Turbinas de gas

• Breve historia

El progreso de la turbina de gas en los últimos decenios, sobre todo al final de la segunda guerra mundial, ha sido verdaderamente espectacular.
El rendimiento de las primeras turbinas de gas proyectadas en Francia y Alemania en el primer cuarto de siglo oscilaba entre el 3 y 15 %, excesivamente bajo para su aplicación práctica. Numerosas y costosísimas investigaciones, llevadas a cabo durante y después de la segunda guerra mundial en Alemania, Inglaterra, Estados Unidos y Francia, han hecho posible los modernos turborreactores, que han invadido el campo de la aeronáutica y las modernas turbinas de gas que encuentran un número creciente de aplicaciones en otros campos.
b)         Funcionamiento
Una de las razones por las que se construyen las turbinas de gas es por su relativa alta potencia en relación con su peso. Su principal inconveniente es su relativamente bajo rendimiento cuando nos alejamos del punto de trabajo óptimo.
En una cámara de combustión se quema el combustible y el aire y la energía de los gases quemados se cede a los álabes de las turbinas fijas (toberas ) y móviles (rodetes ).
Se puede considerar que la variación de las diversas magnitudes al pasar por la turbina son:
     

Tobera       Rodete       Tobera       Rodete       Tobera       Rodete          

Energía
p

 

 

Vel

c)            Ciclo de Brayton de una turbina de gas
En el dibujo posterior se muestra el esquema de una turbina de gas que funciona en ciclo abierto sencillo. El aire entra directamente de la atmósfera al turbocompresor  (TC), donde se eleva su presión y temperatura, pasando luego a la cámara de combustión  (CC) donde se inyecta combustible; a continuación el aire no quemado y mezclado con los gases de la combustión entra en la turbina  (TG), donde los gases se expansionan desarrollando una potencia útil, que puede emplearse, como en el dibujo, para accionar un generador  (G) u otra máquina cualquiera  (bomba, etc...); y finalmente los gases salen a la atmósfera. En el extremo izquierdo del esquema que se ha dibujado también un motor de arranque.

 

 

•  Aplicaciones

Para hablar de las aplicaciones conviene antes aclarar las ventajas que tienen las turbinas de gas:
1.ª ) potencia elevada por unidad de peso y volumen (siempre que se trabaje en el punto de trabajo a régimen constante).
2.ª ) tiempo mínimo de puesta en marcha.
3.ª ) coste por kW instalado reducido.
Además de : exigencia mínima de agua de refrigeración , posibilidad de utilizar combustibles más baratos, gastos de entretenimiento y revisión reducidos.
Las aplicaciones son muy variadas y van desde:

• Aviación se considera la más importante
• Helicópteros
• Barcos de guerra (no para velocidades de crucero, pero sí para proporcionar exceso de potencia necesaria para aceleraciones y maniobra).
• Centrales eléctricas combinadas, energía eléctrica y calefacción (cogeneración)
• En ocasiones para tanques (M1 Abrams)
• Hover Crafts.
• Y son ya inminentes realidades en locomotoras, camiones y autobuses, así como coches.