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Artículo Científico / Scientific Paper

MÁQUINAS TÉRMICASJuan Carlos Calán Pozo 11

Resumen

El presente escrito es una pequeña recopilación sobre las maquinas térmicas más comunes en la industria y la vida cotidiana, donde se estudia su funcionamiento básico, sus partes y parte de sus aplicaciones. El entender estos equipos aumentara en el lector la capacidad de tomar decisiones al momento de elegir una máquina adecuada para un proceso en la industria o un uso específico.

El estudio se ha dividido de manera que se siga una cadena en el aprendizaje empezando por el ciclo simple de potencia de vapor donde se aprecian las ventajas y desventajas de los ciclos seguido por el análisis de flujos transitorios para pasar al estudio de motores térmicos, maquinas frigoríficas, bombas de calor y por último los enunciados de la segunda ley de termodinámica

Abstract

This letter is a small collection of the most common heat engines in the industry and everyday life, where its basic operation, its parts and some of its applications are studied. Understanding these equipment increase the reader's ability to make decisions when choosing a suitable machine for a process industry or a specific use.

The study was divided so that a chain continue learning starting with the simple cycle steam power where the advantages and disadvantages of cycles followed by analysis of transient flows to pass to the study of heat engines are appraised, machines refrigeration, heat pumps and lastly the statements of the second law of thermodynamics

1 Estudiante de Ingeniería Mecánica en la Universidad Politécnica Salesiana 1

1. Ciclo simple de potencia de vapor

El rendimiento térmico en un ciclo de potencia es máximo si toda la energía se suministra desde una fuente térmica a máxima temperatura y toda esa energía se cede a un sumidero que esté a la temperatura más baja posible. Según Carnot, el proceso está dado por:

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Aunque existen otros ciclos teóricos, el ciclo de Carnot o ciclo simple, es el más utilizado para entender este tipo de procesos. Dicho proceso puede funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen estacionario. Está compuesto por dos procesos isotérmicos e internamente reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente reversibles. Este puede resumirse en la siguiente secuencia de procesos:

NO SE RECOMIENDA el ciclo Carnot para los siguientes casos:

Compresión de fluido en condiciones bifásicas proceso 4-1 en diagrama 1.1b (Existe vapor y liquido)

Para determinar la calidad en el estado 4, es necesario un control

muy preciso del proceso de condensación.

El proceso de expansión en la turbina con vapor húmedo, provocarían la formación de gotas que impactarían a alta velocidad y presión en los alabes de la turbina provocando su erosión (destrucción del alabe).

El rendimiento del ciclo se ve afectado seriamente por la temperatura máxima T1, debido a las limitaciones dentro de las zonas de saturación disminuyendo el contenido energético del fluido de trabajo a medida que se incremente la temperatura. [2]

1.1. Ciclo de Rankine Simple

Conceptualmente muy parecido al ciclo anterior. La diferencia es que se introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble:Desde el punto de vista netamente termodinámico, bajamos la temperatura de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor. A continuación se muestra el diagrama de un condensador. [3]

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2. Análisis de flujos transitorios

Sus características más importantes son:

a) El estado de la masa dentro del volumen de control puede variar con el tiempo pero en cualquier instante el estado es uniforme a través de todo el volumen de control.

b) El estado de la masa que cruza cada una de las áreas de flujo sobre la superficie de control es constante con el tiempo.

Ecuación de conservación de la masa o ecuación de continuidad.[4]

              Evaluando la ecuación para un intervalo de tiempo comprendido entre el estado inicial y el estado final, tomando como t=0 el estado inicial y un tiempo t cualquiera el estado final.

Integrando  

                                                Ecuación de la Primera Ley

Integrando la ecuación.

                                          2.1. APLICACIONES DEL PROCESO DE FLUJO TRANSITORIO

        Este proceso se utiliza en el vaciado y llenado de recipientes, con o sin transferencia de calor. En la imagen de la izquierda un llenado de un recipiente sin transferencia de calor, mientras que la otra imagen corresponde a un vaciado de un recipiente con transferencia de calor.

Procesos de Flujo Transitorio  

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3. Motores Térmicos

El caso más habitual es que el motor térmico utilice como fuente de energía térmica un combustible, en ese caso se denomina a la máquina, motor de combustión, pudiéndose establecer distintas clasificaciones dependiendo del criterio que se siga.Atendiendo al lugar en que se produce la combustión, podremos distinguir motores de combustión interna o externa.

El hablar de todos los motores resultaría muy extenso, por lo que se enumerara algunos de ellos y se expondrá el funcionamiento de los más comunes.

3.1. Clasificación

3.1.1. Motores de Explosión

Éste tipo de motores necesitan algún tipo de mecanismo para poder calentar la mezcla y que se produzcan los gases que accionan el movimiento del pistón. Esto se consigue gracias a la bujía, una pieza que se coloca en la parte superior del cilindro y produce una chispa eléctrica, lo que causa la ignición.

Potencia y RendimientoLa potencia se calcula a partir del trabajo según muestra la expresión

La potencia efectiva en la salida del motor es:

Factores: temperatura exterior, régimen de giro, poder calorífico del combustible y grado de admisión.

3.1.1.1. Motor de dos tiempos

Motores de combustión interna convierten una parte del calor de la combustión de gasolina en trabajo. No hacen falta válvulas y cada dos tiempos hay una carrera de trabajo, lo que significa que cada revolución del motor produce un impulso. A la gasolina hay que añadir aceite para lubricar el émbolo y el árbol de manivela.[3]

Funcionamiento

Primer tiempo: La bujía inicia la explosión de la mezcla de aire y gasolina previamente comprimida. En consecuencia de la presión del gas caliente baja el pistón y realiza trabajo. También cierra el canal de admisión A, comprime la mezcla abajo en el cárter, un poco más tarde abre el canal U y el canal de Escape E. Bajo la compresión adquirida el gas inflamable fresco fluye del cárter por el canal U hacia la cámara de explosión y empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. Así el cilindro se llena con mezcla fresca.

Segundo tiempo: Comprime la mezcla, se abre el canal de admisión A y llena el cárter

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con la mezcla nueva preparada por el carburador.l árbol de manivela convierte el movimiento de vaivén del émbolo en un movimiento de rotación.

3.1.1.2. Motor de cuatro tiempos

Ciclo de cuatro tiempos, por analogía, en un motor endotérmico alternativo el ciclo comportara un conjunto de operaciones que, una vez realizadas, nos remitirán a las condiciones iniciales, de manera que se permita la creación del ciclo siguiente y se obtenga así un funcionamiento continuo.

Elementos:

El combustible: gasolina + aire. Esta mezcla se realiza fuera del cilindro en el carburador.Elemento de ignición: bujía. Es la que produce la chispa que permite la combustión.El pistón: es el elemento mecánico que se mueve con movimiento rectilíneo alternativo gracias a los gases que se hallan dentro del cilindro.El cilindro: es el espacio donde se encuentra el pistón, y donde se realiza el proceso de combustión.La biela y el cigüeñal: son los mecanismos que transforman el movimiento rectilíneo del pistón en circular. El cigüeñal va conectado al eje del cigüeñal.Las válvulas: de admisión y de escape son las que controlan la entrada de aire más gasolina y la salida de los gases de la combustión. La obertura y cierre de las válvulas se controla por otro eje denominado eje de levas.

Funcionamiento

Primer tiempo: Admisión de la mezcla de combustible. Hemos introducido la mezcla combustible en el cilindro.Segundo tiempo: Compresión de la mezcla. Hacemos volver el pistón al PMS de manera que quede en posición de recuperar el trabajo realizado en el siguiente tiempo (explosión).Tercer tiempo: Explosión y expansión de la mezcla comprimida (tiempo motor). Permite utilizar, con la ayuda del sistema biela-manivela, la energía desprendida por la combustión de la mezcla (mediante una elevación importante de la presión).Cuarto tiempo: Escape de los gases quemados. Se evacuan los gases y los residuos de la combustión para permitir la renovación del ciclo.

3.1.2.1. Motor de dos tiempos diésel

La alimentación y combustión se realiza comprimiendo aire energía inyectando combustible al finalizar la combustión. Trabaja en un ciclo de 2T con dos carreras alternativas de su embolo que se transforman en un giro de 360º. El llenado del cilindro no se realiza por pre comprensión, sino introduciendo directamente el aire en el cilindro a través de la lumbrera de admisión situada a la altura de la de escape, ambas próximas al PMI. Debido a esta forma de llenado y al poco tiempo que se dispone para el evacuado de los gases residuales, el barrido es muy deficiente.Para mejorarlo se necesita acoplar un sistema de bomba que introduce y acelere la entrada de aire a presión que facilite el arrastre de los gases residuales fuera del cilindro y que efectúe el llenado con una carga de aire lo más pura posible. En este motor al efectuar el barrido de los gases quemados solo con aire no se desperdicia combustible por lo que su consumo es inferior al de gasolina.

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Funcionamiento

Primer tiempo compresión: el embolo se desplaza del P.M.I. al P.M.S. efectuando su primera carrera ascendente y un giro de 180º. Al subir el pistón cierra las lumbreras de admisión y escape y comienza la compresión del aire q termina cuando el pistón llega al P.M.S.

Segundo tiempo expansión: cuando el embolo está en el P.M.S. y el aire se halla comprimido se produce la inyección del combustible. Este en contacto con el aire se inflama y produce la combustión del mismo a presión constante hasta el final de la inyección y a continuación se inicia la expansión o carrera de trabajo antes de que el embole llegue al PMI. Se abren las lumbreras de carga y escape y se inicia la salida de gases residuales y la entrada de aire procedente de la bomba. Este aire al entrar a gran velocidad y por propia inercia de los gases residuales arrastran a estos al exterior a través del colector de escape con ellos sale gran parte del aire impulsado por la bomba. El aire continua entrando hasta que el embolo con se movimiento y comienza un nuevo ciclo.[2]

Motor cuatro tiempos

Motor 2 tiempos

4. Máquinas Frigoríficas

La imposibilidad de transformar íntegramente el trabajo en calor extraído es una consecuencia directa del segundo principio de termodinámica.

Maquina frigorífica

Al igual que ocurría en el caso del motor, se trata de un proceso cíclico, por lo tanto no hay incremento de energía interna:

Como ya hemos dicho anteriormente, según el 2º principio de la termodinámica, Q1 nunca puede ser cero. Por lo tanto:

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 Al ser W>0, necesariamente el calor cedido al foco caliente es mayor que el calor extraído del foco frío.

Para determinar el rendimiento de una máquina frigorífica se utiliza el coeficiente de operación frigorífico. Este parámetro se obtiene como cociente entre el calor extraído del foco frío y el trabajo consumido para conseguirlo.

Sustituyendo:

La eficiencia térmica en una máquina frigorífica es un concepto equiparable al del rendimiento en un motor térmico, pero con la salvedad de que la eficiencia puede ser mayor que uno y el rendimiento nunca puede ser mayor que uno.[2]

5. Bombas de Calor

Una bomba de calor es un sistema termodinámico, que permite manipular la pérdida o ganancia de calor en el espacio donde la misma se desempeña. Nuestra nevera es un ejemplo de sistema termodinámico latente y presente en todos los hogares, su funcionamiento se basa en la quita de energía al aire interior a baja temperatura entregándolo al aire exterior a mayor temperatura por ende calentándolo, el control sobre este proceso nos permite

regularla temperatura de nuestra nevera o freezer a los niveles deseados, este sistema termodinámico es denominado de enfriamiento.

Las bombas de calor funcionan a la inversa, tomando aire frío del exterior y calentándolo, este funcionamiento en muchos casos puede ser manipulado obteniendo un sistema de enfriamiento o calentamiento dependiendo las necesidades del cliente.

La interacción de otros elementos químicos en el proceso como el refrigerante hacen posible la toma y liberación de calor de forma controlada, un ejemplo de sistema termodinámico que puede funcionar de ambas maneras es el que encontramos en el aire acondicionado.[1]

Diagrama de flujo

Una bomba de calor es lo mismo que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. En este caso “lo que se saca” es el calor | Qc |, por lo que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor se define como:

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De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del refrigerador correspondiente se diferencia en 1.

Por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.Para una bomba de calor real el COP puede ser de 4. Esto quiere decir que para aportar 4 J de calor a una habitación solo consume 1 J de energía eléctrica (mientras que una estufa consumiría los 4 J). Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción, pero requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura exterior es demasiado baja.[1]

5.1. Coeficiente de Rendimiento

El coeficiente de rendimiento (COP) de una bomba de calor es la proporción entre la energía transferida para calentar y la energía eléctrica de entrada que se usa en el proceso. Con referencia a la ilustración estándar del motor térmico, el coeficiente se define por:

Hay un máximo teórico de COP, el del ciclo de Carnot:

Sin embargo en un refrigerador, la cantidad útil es el calor extraído, QC, no el calor impulsado. Por tanto el coeficiente de rendimiento se expresa como:

6. Enunciados de la segunda ley de termodinámica

6.1. Enunciado de Kelvin-Planck

A la hora de aumentar la eficiencia de una máquina, el primer objetivo sería reducir, o eliminar si es posible, el calor de desecho Qf.

Se plantean dos alternativas:

¿Es posible una máquina térmica que no genere calor de desecho, sino que todo el calor absorbido se transforme en trabajo neto? Por ejemplo, podría usarse la turbina para enfriar directamente el vapor y reenviarlo al horno, sin pasar por un condensador donde se ceda calor al ambiente sin realizar trabajo útil.

¿Es posible una reutilización del calor de desecho, de forma que se haga recircular y se incluya en el calor absorbido? La idea sería que el calor de derecho contribuya a

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calentar el vapor, en lugar de arrojarlo al exterior.

La respuesta a ambas preguntas es negativa.

Figura 1.

El enunciado de Kelvin-Planck del Segundo Principio de Termodinámica es el siguiente:Es imposible construir una máquina que, operando en un ciclo, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. Este enunciado refleja un hecho empírico y no se deduce de ninguna ley previa.

El enunciado de Kelvin-Planck afirma que es imposible construir una máquina que tenga un rendimiento del 100%. Siempre habrá calor de desecho que, en la mayoría de los casos equivale a más de la mitad del calor absorbido.

Es importante señalar que el enunciado de Kelvin-Planck habla de procesos cíclicos, que dejan al sistema en un estado final igual al inicial. Sí es posible transformar calor en trabajo (por ejemplo, calentando un gas, que se expande como consecuencia) si el estado final es diferente del inicial.[2]

6.2. Enunciado de Clausius

El enunciado de Clausius del Segundo Principio de la Termodinámica prohíbe la existencia de refrigeradores ideales.

Es imposible un proceso que tenga como único resultado el paso de calor de un foco frío a un foco caliente.

Figura 2.Como el enunciado de Kelvin-Planck, el enunciado de Clausius está formulado de manera negativa. Expresa un hecho empírico. En términos llanos, el enunciado de Clausius nos dice que para enfriar algo por debajo de la temperatura ambiente es necesario un trabajo adicional, esto es, que un frigorífico no funciona si no se enchufa.

Puede demostrarse de forma sencilla que el enunciado de Clausius es equivalente al de Kelvin-Planck y al teorema de Carnot.

El enunciado de Clausius establece un sentido para la propagación del calor. Éste fluye de los cuerpos calientes a los fríos, nunca a la inversa. Por ello, una diferencia finita de temperaturas implica siempre una irreversibilidad, ya que su inversión violaría el enunciado de Clausius.

7. Conclusiones

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El estudio de las maquinas térmicas y los principios científicos que dominan su funcionamiento es muy extenso como para estudiarlo por completo en un corto tiempo, pero es posible tener una idea básica del funcionamiento en general de estas máquinas mediante el análisis de las leyes básicas que rigen su mecánica.

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Referencias

Libros:

[1] K. Wark, D. Richards, et. Al, “Termodinámica, 6ta ed., Ed. McGraw-Hill, España, 2007, pp. 217–29.

[2] Y. Cengel, M. Boles, et. Al, “Termodinámica” 7ma ed., Ed. McGraw-Hill, México, 2009.

Recursos de Internet:

[3] Ing. Elier Alfonso García Chirinos, Abril 2008, “Ciclos de potencia con vapor”. Disponible en: http://es.slideshare.net/eliergarcia3/presentacin-de-los-ciclos-de-vapor

[4] ME-43A Termotecnia, Roberto Román L. U. Chile “Ciclos de vapor abierto y Rankine”. Actualizado, 2001. Disponible en: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm

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