MÁQUINAS TÉRMICAS
1 Máquinas frigoríficas y bombas de calor
1.1 Esquema de un frigorífico doméstico
En la figura que se adjunta se pueden distinguir y localizar los distintos elementos que constituyen un frigorífico doméstico, así como su esquema de funcionamiento.
|
| Imagen 05. Elaboración propia |
El motocompresor (1), está constituido por un motor eléctrico, alimentado desde la red y un compresor alternativo de émbolo, está localizado en la parte inferior trasera del equipo y la función que realiza es aspirar el fluido (gas) refrigerante a baja presión y dirigirlo a alta presión hacia el condensador (2), que es un serpentín, situado exteriormente en la zona posterior, debido a la elevada presión del fluido refrigerante, éste se licúa en el condensador cediendo el calor latente de condensación al exterior. A la salida del condensador se sitúa un filtro-secador (5) cuya función es limpiar y deshumidificar el fluido refrigerante. La función de la válvula de expansión (3) la realiza un tubo capilar muy largo y estrecho, que tras ser recorrido por el fluido refrigerante, éste ha perdido presión y ha cedido calor residual.
A continuación el fluido licuado entra en el evaporador (4) que es otro serpentín situado en el interior del equipo, en él debido al considerable aumento de la sección del conducto se produce la expansión del fluido, que se evapora, absorbiendo calor del entorno, que resulta ser la zona congelador del equipo y del resto del recinto interior del frigorífico. A la salida del evaporador el fluido refrigerante (gas) a baja presión es aspirado por el compresor y se vuelve a repetir el ciclo.
2 Motores térmicos
2.1 Videos
2.2 Motor gasolina (ciclo Otto)
El motor de gasolina es un motor alternativo, de combustión interna, con encendido por chispa, de cuatro tiempos, que convierte la energía química que contiene el combustible en
energía mecánica de rotación.
El proceso se inicia con la mezcla homogénea de gasolina y aire fuera de la cámara de combustión (cilindro) en un elemento llamado carburador. La mezcla obtenida se hace llegar a dicha cámara, donde es comprimida. La combustión se inicia por un sistema de encendido externo al motor (bujía) de control temporizado. En el interior del cilindro se inflama y quema la mezcla de aire y gasolina. El calor generado por la combustión provoca un incremento en la presión de los gases, previamente comprimidos originando un trabajo mecánico a través del pistón, la biela y el cigüeñal. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape y son sustituidos por una nueva porción de mezcla tras cada carrera de combustión, todo ello se produce según el principio de los cuatro tiempos.
|
|
Imagen 7. laplace. Copyright |
Un ciclo Otto es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de encendido por bujía o de explosión. Se representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las siguientes:
- Admisión (1). El pistón desciende con la válvula de admisión abierta, aspirando y llenando en cilindro con de la mezcla de aire y combustible. (Expansión isobárica (presión constante), puesto que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior que es normalmente la presión atmosférica). E-A.
- Compresión (2). El pistón asciende comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas (Comprensión adiabática). A-B.
- Combustión. Con el pistón en el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de la mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). B-C.
- Expansión (3). Debido a la combustión se produce un ascenso brusco de temperatura y, por tanto, de la presión, que empuja al pistón hacia abajo. De los cuatros tiempos es, durante esta expansión, donde el motor realiza un trabajo útil. Las válvulas continúan cerradas. (Expansión adiabática). C-D.
-
Escape (4). Se abre la válvula de escape y se produce una despresurización ya que el gas sale expulsado al exterior. Se realiza mediante una transformación isócora
(volumen constante). Inmediatamente, el cilindro inicia su carrera de ascensión expulsando así el resto de gases. Se cierra así el ciclo de 4 tiempos quedando el cilindro
vacio y preparado para iniciar un nuevo ciclo.
Para que se produzca un ciclo ha debido haber dos subidas y dos bajadas del pistón, por lo que recibe el nombre de motor de cuatro tiempos y puedes observar que el cigüeñal ha dado dos vueltas para completar un ciclo.
El siguiente gráfico animado te muestra de manera sencilla cada una de las etapas anteriores:
2.3 Motor diesel
En este motor el combustible es diesel, y para iniciar la combustión no se necesita "chispa", por tanto, no tienen bujías. Veremos que en el cilindro sólo entra aire y éste se comprime
mucho más que en los motores de gasolina, alcanzando valores de entre 12 y 24 a uno, mientras que en los motores de ciclo Otto los valores normales son entorno a 8:1. El aire así comprimido
alcanza tal temperatura que, cuando se insufle el combustible mediante un inyector, arderá espontáneamente.
|
| Imagen 12. laplace. Copyright |
Un ciclo Diesel es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de encendido por compresión. Se representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las siguientes:
- (1) Admisión E-A. El pistón desciende mientras la válvula de admisión permanece abierta, absorbiendo aire a presión constante de la atmósfera. Se representa como una línea horizontal.
- (2) Compresión A-B. Asciende el pistón estando cerradas las válvulas de admisión y de escape, se produce la comprensión del aire sin intercambio de calor, es decir es una transformación adiabática.
- (3) Expansión
-
- Combustión B-C. Un instante antes de que el pistón alcance el PMS y hasta un poco después de que comience la carrera descendente, el inyector introduce gasoil en el cilindro produciéndose la combustión a presión constante durante un instante de tiempo mayor que en el motor de encendido por chispa (es la diferencia más notable con el ciclo de Otto, estudiado anteriormente). Ambas válvulas se mantienen cerradas.
- Expansión C-D. La reacción química exotérmica producida en la combustión genera energía que impulsa el pistón hacia abajo, aportando trabajo al ciclo, correspondiendo esta transformación a una curva adiabática, las válvulas de admisión y de escape permanecen cerradas.
- (4) Escape D-A y A-E. La válvula de escape se abre, el pistón prosigue su movimiento ascendente y va barriendo y expulsando los gases de la combustión, cerrándose el ciclo al producirse una nueva admisión de aire cuando se cierra la válvula de escape, a continuación se abre la de admisión y el pistón continúa su carrera descendente.
Como la cantidad de aire que sale y la que entra en el cilindro es idéntica podemos considerar que es el mismo que ha sufrido un proceso de enfriamiento que se produce en dos fases, cuando alcanza el pistón el PMI, el volumen se mantiene aproximadamente constante y se representa en el diagrama como la isócora D-A, para posteriormente ser expulsado al exterior a presión constante (la de la atmósfera), representándose por la isóbara A-E. Con lo que se cierra el ciclo, tras dos movimientos de subida y bajada del pistón, tras dos vueltas del cigüeñal, que corresponden con los cuatro tiempos del motor.
|
| Imagen 14. km77. Copyri |
Para conseguir motores más potentes se recurre al llamado turbo-compresor. La idea es la siguiente: para aumentar la potencia bastará con introducir más combustible dentro del
cilindro: más combustible implica explosión más potente. Y como ya sabemos, para la combustión se necesita oxígeno. Y como el volumen del cilindro es el que es, hay un límite de combustible
que se puede introducir, pues una vez se agote el oxígeno la combustión para, y quedaría combustible sin arder. Se podría solucionar creando motores con cilindros más grandes donde quepa más
aire, pero esto supone mayor coste y motores más pesados.
Por tanto, necesitamos un sistema que sea capaz de introducir más aire en el cilindro del que entraría de forma normal debido a la presión atmosférica. ¿Cómo se
consigue?
Utilizando la energía con la que los gases salen expulsados de los cilindros (zona roja en el esquema). Estos gases hacen girar una turbina que está unida mediante un eje a un
compresor, que será el que fuerce la entrada de aire a los cilindros (zona azul en el esquema).
2.4 Motor de 2 tiempos
Durante su funcionamiento se pueden distinguir las siguientes fases:
- Fase de admisión-compresión. El pistón se desplaza hacia arriba desde su PMI, durante su recorrido ascendente va abriendo la lumbrera de admisión entrando la mezcla (color azul claro azul claro) y comienza la compresión en la parte superior del pistón (azul oscuro) mientras que la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a través de la lumbrera. Para que este proceso sea eficaz es necesario que el cárter esté sellado.
|
|
Imagen 18. monografias. copyright |
- Fase de explosión-escape. Cuando el pistón alcanza el PMS concluye la fase de compresión y la bujía lanza una chispa eléctrica que inicia el proceso de combustión, generándose una gran cantidad de energía térmica que impulsa hacia abajo el pistón, produciendo energía cinética, transmitiendo movimiento al cigüeñal a través de la biela. Durante la carrera descendente del pistón, se libera la lumbrera de escape, por donde se expulsan los gases de la combustión al exterior. Tras alcanzar el pistón el PMI vuelve a iniciar el movimiento ascendente repitiéndose el ciclo.
|
|
Imagen 19. monografías. copyright |
Combustible
|
|
| Video 9. youtube. copyright |
Utilizan gasolina sin plomo, con una proporción (1:40) de un aceite especial convenientemente agitada para homogeneizar la mezcla.
Durante la combustión el aceite se deposita en las paredes interiores del cilindro, sobre el pistón y el resto de los elementos, con lo que lubrica los órganos móviles del motor.
Una mezcla demasiado rica en aceite provoca la aparición de carbonilla en la cámara de combustión, y si la mezcla es pobre en aceite la lubricación será deficiente pudiendo ser el origen de gripaje del motor.
Ventajas
- Al no tener válvulas ni las cadenas cinemáticas que las controlen, estos motores son mucho más livianos, sencillos y económicos que los de cuatro tiempos.
- Al ser más simples a nivel mecánico su mantenimiento es mucho más sencillo y presentan menos averías.
- Como solo necesita una vuelta de cigüeñal para cerrar el ciclo termodinámico, desarrolla una potencia mayor para la misma cilindrada, siendo su marcha mucho más uniforme y regular.
- Pueden trabajar en cualquier posición, ya que no precisa almacenar lubricante en el cárter.
Inconvenientes
- Al mezclar aceite con el combustible, se puede concentrar suciedad sobre los electrodos de la bujía (perlado), impidiendo su correcto funcionamiento.
- Por la propia construcción del motor sin válvulas, que son sustituidas por lumbreras, la compresión no es tan eficaz como en los motores de cuatro tiempos, esta pérdida de compresión, también supone una ligera merma de potencia.
- Por el mismo motivo, por la lumbrera de escape suele expulsarse combustible inquemado junto a los gases de combustión, lo que conlleva una pérdida de rendimiento y la evacuación de emisiones más contaminantes.