1. Motores Térmicos: Clasificación
La energía térmica no es directamente aprovechable para producir trabajo, por lo que hay que transformarla en otras formas de energía. Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. Los motores se clasifican atendiendo a diferentes factores: según su construcción, en función de los combustibles que utilizan, dependiendo de las aplicaciones que tenga… En función del lugar donde se realiza la combustión, los motores térmicos se clasifican en:
a) Motores de combustión externa: son aquellos en los que el calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa.
b) Motores de combustión interna: en estos motores la combustión se produce en la cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor.
La segunda clasificación es en función de la forma en que se obtiene la energía mecánica:
a) Motores alternativos: el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento.
b) Motores rotativos: el fluido de trabajo actúa sobre pistones rotantes o turbinas.
c) Motores de chorro: el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción-reacción.
2. Máquinas de Combustión Externa: Máquinas Motrices de Vapor
– Máquina de vapor (funcionamiento):
El agua de la bomba entra en la caldera a alta presión y temperatura cercana a la del ambiente. En la caldera, el agua líquida absorbe el calor producido en la combustión, eleva su temperatura hasta la ebullición y se obtiene así un vapor saturado. Este vapor sigue aumentando su temperatura con lo que se consigue un vapor sobrecalentado. Después entra en los cilindros o en la turbina, que son los elementos que transforman la energía térmica que posee el vapor en energía mecánica. Cuando el vapor ha perdido su energía, pasa al condensador, donde va bajando su temperatura y vuelve al estado líquido. Después, el vapor ya licuado va hasta la bomba, donde se eleva su presión antes de entrar de nuevo a la caldera. Si el circuito no es cerrado, el vapor pasa a la atmósfera y se suprime el condensador, con lo que se precisa un gran depósito de agua.
– Motor alternativo de combustión externa:
Una máquina de vapor consiste en un cilindro que tiene en su interior un émbolo o pistón que divide al cilindro en 2 zonas. El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema de biela-manivela. Por encima del cilindro se desplaza en dirección horizontal un distribuidor que también está unido al volante, aunque su dirección de movimiento es siempre opuesta en sentido opuesto al del émbolo. De este modo, cuando la zona izquierda está en comunicación con la caldera, la zona derecha lo está con el condensador y viceversa.
3. Motores de Combustión Interna
– Motores de combustión interna alternativos:
En el cilindro se desliza el pistón con movimiento alternativo. El pistón tiene forma de vaso invertido y está unido a la biela mediante un bulón. La entrada del fluido de trabajo y la salida de los gases de combustión se realizan a través de las válvulas de admisión y escape respectivamente. Estas válvulas están situadas en la culata, directamente sobre el cilindro, y su movimiento de apertura y cierre está controlado por unos mecánicos sincronizados; es lo que se denomina distribución.
– Descripción del funcionamiento del motor alternativo. Clasificación:
El motor realiza sobre el fluido de trabajo un ciclo operativo. Este puede ser de dos tipos: ciclo de cuatro tiempos y ciclo de dos tiempos.
Ciclo de cuatro tiempos:
- Primer tiempo: admisión: el pistón, al descender desde el punto muerto superior, crea un cierto vacío en el cilindro aspirando aire o la mezcla gaseosa combustible a través de la válvula de admisión que permanece abierta.
- Segundo tiempo: compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior.
- Tercer tiempo: expansión: antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible, consiguiendo aumentar la presión y temperatura.
- Cuarto tiempo: escape: Una vez que el pistón ha llegado al PMI se abre la válvula de escape, el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior. Solo el tercer tiempo es almacenado en forma de energía mecánica mediante un volante de inercia.
Ciclo de dos tiempos:
- Primer tiempo: Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación. Entonces, los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape. A medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter. Este fluido entra en el cilindro y termina de barrer los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
- Segundo tiempo: El pistón comienza a subir, completando la fase de barrido. En ese momento comienza la compresión hasta llegar al PMS. Al mismo tiempo, la lumbrera de admisión queda abierta y entra el fluido. El primer tiempo corresponde al funcionamiento de los motores que consumen gasolina, y que el segundo tipo corresponde a los motores que utilizan gasóleo.
– Lubricación y refrigeración:
La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión. El aceite se halla en un depósito situado debajo de la bancada, denominado cárter. La bomba de aceite lo recoge de allí y es distribuido a presión a todas las partes que lo necesitan. La refrigeración por aire es utilizada en pequeños motores. En la refrigeración por agua los cilindros y la culata están rodeados por una cámara de agua que al calentarse pasa al radiador, donde se enfría por acción de la corriente de aire que crea un ventilador.
– Sobrealimentación de los motores de combustión interna:
En los motores rotativos se utiliza la sobrealimentación, pues el aire se va comprimiendo a medida que pasa por los diferentes rodetes, hasta llegar a la cámara de combustión. Por tanto, pasa más masa de aire que si se utiliza bajo la presión atmosférica. Lo mismo se puede hacer en los motores alternativos. Solamente hay que conectar la admisión de aire a un recinto cuya presión sea superior a la atmosférica. Como entra más cantidad de aire, también podemos quemar más cantidad de combustible, aumentando la potencia, con la misma cilindrada. (sobrealimentación) Una turbina es el dispositivo inverso a un compresor.
4. Principios de Funcionamiento de los Circuitos Frigoríficos:
– Funcionamiento máquina frigorífica:
Primero se comprime el gas de forma adiabática luego se hace una compresión isoterma es decir se mantiene constante mientras cede calor al foco caliente, después una expansión adiabática de gas y por último una expansión interna del gas.
– Componentes de una instalación frigorífica:
a) El condensador es, en esencia, un intercambiador de calor. En la práctica, los podemos ver en los serpentines que hay detrás de cualquier frigorífico. En el condensador, el fluido refrigerante cede calor al medio ambiente exterior al ir aquel con más temperatura.
b) Los condensadores pueden ser de aire o de agua, según el medio de condensación que se utilice. En el evaporador es el ambiente a refrigerar el que cede calor al fluido, al estar este a menos temperatura.
c) El evaporador permite que el fluido refrigerante absorba calor a una presión constante, y a la temperatura también constante del evaporador. A la entrada del condensador tenemos vapor a una determinada presión.
d) Los elementos de expansión, como la turbina, cumplen la función de reducir la presión del líquido a la salida del condensador desde la presión de funcionamiento.
5. Bomba de Calor:
Una bomba de calor es exactamente igual a una máquina frigorífica. La diferencia, en lo referente a la aplicación, consiste en la intercambiabilidad de los focos frío y caliente. Así, en invierno, el foco frío es el exterior y el caliente, el interior de una vivienda. Debemos consumir trabajo para pasar calor del exterior al interior. Se utiliza como calefacción en invierno y como sistema de refrigeración en verano.