Bomba de calorDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegacin, bsqueda

Diagrama de flujo de una bomba de calor. Una bomba de calor es una mquina trmica que permite transferir energa en forma de calor de un ambiente a otro, segn se requiera. Para lograr esta accin es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinmica, segn la cual el calor se dirige de manera espontnea de un foco caliente a otro fro, y no al revs, hasta que sus temperaturas se igualan. Este fenmeno de transferencia de energa calorfica se realiza -principalmente- por medio de un sistema de refrigeracin por compresin de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una Vlvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeracin, transformando el condensador en evaporador y viceversa.

Contenido[ocultar]

1 Usos 2 Funcionamiento 3 Rendimiento 4 Vase tambin 5 Enlaces externos

[editar] Usos

El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatizacin o HVAC, as como en sistemas domsticos de aire acondicionado, dado que el ciclo reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de extraer como de ingresar energa al medio -"enfriar" o "calentar"- con un mismo equipo, controlando arranques, paradas y el ciclo reversible en forma automtica. Gracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina como para controlar el ambiente de un invernadero. En la actualidad, y en pos del ahorro energtico, cada vez es ms usual encontrar arreglos de bombas de calor asistidos por colectores solares y en sistemas geotrmicos.

[editar] Funcionamiento

Vlvula inversora de ciclo o "vlvula de cuatro vas". Una bomba de calor de refrigeracin por compresin emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullicin. ste requiere energa (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energa de su alrededor en forma de calor. El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, el que eleva su presin aumentando as su energa interna. ste, al pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco caliente porque est an ms caliente que ste, donde cambia su estado a lquido. Despus se le hace pasar por una vlvula de expansin, donde recupera la presin inicial y se enfra bruscamente. Luego pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco fro, puesto que est ms fro que dicho foco. El fluido, que se ha evaporado, regresa al compresor, cerrndose el ciclo. La vlvula inversora de ciclo o vlvula inversora de cuatro vas se encuentra a la salida (descarga) del compresor y, segn la temperatura del medio a climatizar (sensada en la presin de refrigerante antes de ingresar al compresor), invierte el flujo del refrigerante.

[editar] Rendimiento

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos fro y caliente. Cuanto mayor sea sta diferencia, menor ser el rendimiento de la mquina. Las bombas trmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se est moviendo calor usando energa, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias elctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpa del aire atmosfrico. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extrado del foco fro ms la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

Dado que el efecto til de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la mquina se est usando para refrigerar un ambiente, el efecto til es el calor extrado del foco fro:

Si la bomba de calor est usndose para calentar una zona, el efecto til es el calor introducido:

Una bomba de calor tpica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.

Qu es lo que entendemos por una bomba de calor? Denominamos BOMBA DE CALOR a una mquina trmica capaz de transferir calor de una fuente fra a otra ms caliente. Podriamos definirlo como un equipo de aire acondicionado, que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del local que se ha de calentar; todo este proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un compresor. Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energa, que es lo mismo que decir, ahorro de dinero. Sirva como ejemplo: por 1 KW de consumo de la red elctrica, da 3KW de rendimiento en calor; lo cual equivale a decir que consumiendo la misma energa elctrica, la Bomba de Calor suministra 3 veces ms calor que un aparato de calefaccin elctrica. Resumiendo, la Bomba de Calor tanto en invierno como en verano; acta como un equipo acondicionador de aire para darnos nuestro hogar. Cmo funciona una bomba de calor? El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de hacerlo en direccin contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequea. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco fro), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calentar o bien para emplearlo en procesos que precisan calor. Es posible tambin aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco fro, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema. Las Bombas de Calor tambin pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicacin que requiere fro al entorno que se encuentra a temperatura superior. En algunas ocasiones, el calor extrado en el enfriamiento es utilizado para cuando se necesita calentar algo. Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere aportar un trabajo. Tericamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extrado de la fuente de calor ms el trabajo externo aportado. El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepcin terica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evoluciona en ciclos, es comprimido y luego expansionado y del que se obtiene frio y calor. El desarrollo de los equipos de refrigeracin tuvo un rpido progreso, en aplicaciones como la conservacin de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente trmica, el calor o el fro y calor simultneamente no se aprovecharon. Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnolgicas que presentaba la construccin de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energa, que haca que sta no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefaccin a base de carbn, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relacin con sus costes. Pero la crisis del petrleo y la subida de los precios de los combustibles a partir de 1973, benefici el desarrollo de la Bomba de Calor. En el momento actual la utilizacin de Bombas de Calor supone un ahorro energetico y que se reduzcan las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energa primaria que cualquier otro sistema pero hay que tener en cuenta como se genera la energia electrica que consumen las bombas de calor para saber si de verdad no contaminan.

Si la energa elctrica proviene de fuentes como la hidroelctrica elica, entonces la contaminacion es nula, pero si son de otras como las trmicas es evidente que existe esa contaminacin, que de todas maneras es mucho menor que otros aparatos. Clasificacin de las bombas de calor Las bombas de calor se pueden clasificar de distintas maneras: &Segn el Tipo de Proceso: -Bombas de Calor, cuyo compresor est impulsado mecnicamente por un motor elctrico de gas, diesel, o de otro tipo. -Bombas de Calor de accionamiento trmico (Bombas de Calor de absorcin), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas. -Bombas de Calor electrotrmicas, que funcionan segn el efecto Peltier. &&Segn el medio de origen y destino de la energa Esta clasificacin es la ms utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco fro) y la segunda al medio receptor (foco caliente). Este cuadro en un principio puede parecer un poco complicado pero lo explico ms abajo. Medio del que Medio al que se extrae la energa cede la energa Segn medio de origen y AIRE AIRE de destino de la energa AIRE AGUA AGUA AIRE AGUA AGUA TIERRA AIRE TIERRA AGUA - Las bombas de calor aire-aire: son las que ms se usan, sobre todo en climatizacin. - Bombas de calor aireagua: se utilizan para producir agua fra para refrigeracin o agua caliente para calefaccin y agua sanitaria. - Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energa contenida en el agua de los ros, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energticos mejores que las que utilizan aire exterior. - Bombas de calor agua-agua: son bastante parecidas a las anteriores.

- Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son instalaciones muy raras, por su coste y la gran superficie de terreno requerido &&&Segn construccin - Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de una misma carcasa. -Split o partidas: Estn constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el compresor y la vlvula de expansin y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local. -Multi-split: Estn constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores. &&&&Segn funcionamiento -Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefaccin como en ciclo de refrigeracin invirtiendo el sentido de flujo del fluido. -No reversibles: nicamente funcionan en ciclo de calefaccin. -Termofrigobombas: Producen simultneamente fro y calor. Funcionamiento de una bomba de calor & Bomba de Calor de Compresin Mecnica La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresin de un fluido condensable. Sus principales componentes son: - Compresor - Vlvula de expansin - Condensador - Evaporador Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido refrigerante. BOMBA DE CALOR DE COMPRESIN MECNICA ACCIONADA POR MOTOR ELCTRICO

Etapas del ciclo 1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco fro), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporacin de ste. 2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presin y temperatura. 3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensacin al medio. 4. Finalmente, el lquido a alta presin obtenido a la salida del condensador se expande mediante la vlvula de expansin hasta alcanzar la presin y temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador. El compresor puede ser accionado por un motor elctrico o por un motor trmico. - Bombas de calor elctricas: En este tipo de bombas el compresor es accionado por un motor elctrico. ( como la imagen del dibujo anterior) - Bomba de calor con motor trmico: El compresor es accionado mediante un motor de combustin, alimentado con gas o con un

combustible lquido. Las ms extendidas son las Bombas de Calor con motor de gas. (como el dibujo siguiente) BOMBA DE CALOR CON MOTOR DE GAS Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefaccin y refrigeracin. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una vlvula de 4 vas que permite la inversin de circulacin del fludo frigorfico. De esta forma se consigue: Que se bombee calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefaccin. Que se bombee calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeracin. En el siguiente diubjo se esquematizan los ciclos de calefaccin y refrigeracin. El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente: Ciclo de calefaccin: - El compresor eleva la presin y temperatura del fluido frigorfico. (1) - En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calentar, el fluido cede al aire del recinto el calor de su condensacin. (2) - El fluido en estado lquido y a alta presin y temperatura se expande en la vlvula de expansin reduciendo su presin y temperatura, evaporndose en parte. (3) - En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporacin absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a travs de una vlvula de cuatro vas. (5) CICLOS DE CALEFACCIN Y REFRIGERACIN Ciclo de refrigeracin: - El compresor eleva la presin y temperatura del fluido frigorfico (1) siguiendo su camino a travs de la vlvula de 4 vas (5). - En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior. (4) - El fluido en estado lquido y alta presin se expande en la vlvula de expansin reduciendo su presin y evaporndose en parte. (3) - En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorfico completa su evaporacin absorbiendo calor del medio interior. && Bomba de Calor de Absorcion Las Bombas de Calor de absorcin son accionadas trmicamente, esto quiere decir que la energa aportada al ciclo es trmica en vez de mecnica como en el caso del ciclo de compresin. El sistema de absorcin se basa en la capacidad de ciertas sales y lquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos ms utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinacin con bromuro de litio como absorbente, o bien el amonaco como refrigerante utilizando agua como absorbente.

BOMBA DE CALOR DE ABSORCIN Los ciclos de absorcin son anlogos a los de compresin, nicamente se sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma funcin que ste, es decir, eleva la presin y temperatura del fludo frigorfico enestado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en el dibujo, consiste en un absorbedor, una bomba que impulsa la disolucin, un generador y una vlvula de expansin. Se obtiene energa trmica a media temperatura en el condensador y en el bsorbedor. En el generador se consume energa trmica a alta temperatura, y en la bomba energa mecnica. Cules son los componentes de la bomba de calor? &Compresor Eleva la presin del vapor refrigerante desde una presin de entrada a una presin de salida ms alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumtricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrfugos. En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser: - Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurndose la estanqueidad en el paso del eje. - Semihermticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos. - Hermticos: El motor y el compresor, adems de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperacin del calor generada en el motor es mayor. En las Bombas de Calor elctricas se utilizan compresores hermticos para potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente Bombas de Calor aire-agua) se utilizan compresores semihermticos. Unicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie. En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagntico que permite la regulacin de la potencia en funcin de la demanda trmica. Las bombas de calor de gas suelen disponer de un motor de cuatro tiempos con un compresor alternativo abierto. Alternativos Los alternativos hmedos estn compuestos por un nmero variable de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido. Los cilindros se suelen disponer en posicin radial. El fluido entra y sale de ellos por vlvulas accionadas por la presin diferencial entre ellos. Disponen de un sistema de lubricacin mediante aceite a presin.

Este circuito de aceite acta tambin como refrigerante. La refrigeracin mediante aceite presenta problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior del cilindro. Los alternativos secos consiguen presiones de salida ms elevadas que en los anteriores, ya que la compresin tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor generado en la compresin mediante circuitos de agua en las etapas entre compresiones. La estanqueidad entre cilindro y pistn se logra mediante segmentos muy resistentes que no requieren refrigeracin, a base de materiales como el politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un costo ms elevado y desarrollan mayores potencias. COMPRESOR ALTERNATIVO Rotativos El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y otro hembra que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el espacio entre ellos primero aumenta, generando una depresin mediante la que se aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no existir contacto entre los rtores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo s es necesaria una refrigeracin auxiliar. En el caso del compresor de tornillo hmedo se inyecta aceite a presin entre los rtores para conseguir lubricacin y refrigeracin. Los compresores de tornillo se utilizan en generacin de potencias trmicas muy elevadas a partir de 500 kW y suelen ser semihermticos. COMPRESOR ROTATIVO Espiral o scroll Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias trmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se comprime por la variacin del volumen causada por na espiral giratoria. Son hermticos y permiten la aspiracin y descarga simultnea del refrigerante sin necesidad de una vlvula. La reduccin de partes mviles mejora el desgaste y en consecuencia la duracin de estos equipos. COMPRESOR DE ESPIRAL O SCROLL Swing Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia trmica (hasta 6 kW). Son rotativos hermticos y consiguen la variacin del volumen mediante un pistn rodante. Centrfugos Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de presin y se destinan a equipos de gran potencia. &&Condensador Se pueden clasificar en: -Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisin de calor. Adicionalmente estas bateras disponen de ventiladores que inducen la circulacin del aire a calentar entre las aletas del condensador. Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua

Pueden ser: -Cambiadores de doble tubo en contracorriente: El fluido refrigerante circula porel espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricacin de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de potencia trmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por la dificultad de la limpieza. -Multitubulares horizontales: El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero con tapas de fundicin. Debido a las caractersticas del agua puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de aleacin de nquel. &&&Evaporador -Segn el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador estos se clasifican en: De expansin seca: El vapor que se introduce en el compresor est ligeramente sobrecalentado y hay ausencia total de lquido. Estos evaporadores se emplean con compresores centrfugos donde dada la elevada velocidad, la presencia de gotas de lquido daara los labes. Inundados: El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puedeincluso contener gotas de lquido. -Segn el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser: Evaporadores de aire: Las bateras evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos ventiladores pueden ser axiales o centrfugos. Los centrfugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de roco del aire se produce el fenmeno de la condensacin y si se reduce an ms la temperatura el escarchado. El escarchado incide negativamente en los rendimientos por dos motivos: prdida en la superficie de intercambio, y prdida de carga en el flujo de aire a travs del conjunto de tubos. Por esta razn las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo. VENTILADOR AXIAL Y VENTILADOR CENTRIFUGO Evaporadores de agua: Pueden ser coaxiales en contracorriente o bien multitubulares. &&&&Dispositivos de expansin

Son los dispositivos mediante los que se realiza la reduccin de presin isoentlpica ( es decir con variacion de entalpa igual a 0) desde la presin de condensacin hasta la de evaporacin. Los elementos utilizados son: -Tubo capilar para mquinas de potencia reducida y constante. -Vlvula de expansin: Las vlvulas de expansin tienen una seccin variable. Esta seccin puede ser variada automticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporacin se mantenga constante y no accedan gotas de lquido al compresor. En este caso la vlvula recibe el nombre de termosttica. VLVULA EXPANSIN &&&&&Dispositivos de seguridad y control Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se est trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son: -Presostato de alta presin: Detiene el compresor cuando se alcanza una presin de condensacin elevada. -Presostato de baja presin. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presin de aspiracin es demasiado baja. -Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presin del aceite del circuito de refrigeracin y lubricacin de aceite. -Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura dedescarga es demasiado elevada. &&&&&&Dispositivos auxiliares Vlvulas de 4 vas: Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche. Vlvulas solenoides: Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde. Depsito A la salida del condensador y antes de la vlvula de expansin se sita un depsito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no dae el compresor. Refrigerantes de la bomba de calor. Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinmicas de tal manera que condensen y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor temperatura cuando se eleva su presin, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presin y los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas respectivamente. Por otra parte, los fluidos refrigerantes no deben ser txicos, ni inflamables, ni reaccionar con los materiales que constituyen la mquina.

Los fluidos halogenados presentan las mejores propiedades ya que trabajan en las temperaturas y presiones adecuadas para esta aplicacin y no son txicos ni inflamables. No obstante, pueden contribuir a la destruccin de la capa de ozono. Si al final de su vida til se liberan en el ambiente, la incidencia de rayos ultravioleta sobre estas sustancias hace que se fotodisocien quedando libres radicales de cloro, que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyndolo. Por estas razones, la utilizacin de estos refrigerantes est restringida por ley. Actualmente el fluido con el que funcionan la prctica totalidad de las Bombas de Calor en Espaa es el R-22, (HCFC-22) cuya frmula qumica es CHClF2. El R-22 nicamente tiene un tomo de cloro y por tanto resulta menos perjudicial para la capa de ozono que los CFCs. No obstante, y en virtud del reglamento de la Unin Europea 3093/94, se ha establecido un programa de reduccin progresiva de utilizacin de los HCFCs, de forma que la produccin de R-22 finalizar en el ao 2014. En cuanto a las temperaturas y presiones de funcionamiento en la aplicacin de Bomba de Calor del R-22 estas suelen ser:

Temperaturas Evaporador +25C Condensador +70C

Presiones (Kg/cm2 abs) Evaporador 10,5 Condensador 30,5

Motor trmicoDe Wikipedia, la enciclopedia libre

Un motor trmico es una mquina trmica motora, i.e. una mquina trmica de motor, o un motor de tipo trmico. En definitiva, es algo de motor y de temperatura, en la cual la energa del fluido que atraviesa la mquina disminuye, obtenindose energa mecnica. Transforma energa trmica en trabajo mecnico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco fro). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o un lquido.

Contenido 1 Postulados de la termodinmica 2 Principio bsico de funcionamiento

2.1 Eficiencia de los motores trmicos

3 Clasificacin de los motores trmicos

3.1 Mquinas de combustin interna 3.1.1 Mquinas de combustin externa

3.2 Vase tambin

Postulados de la termodinmica1. Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relacin constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. El equivalente mecnico del calor es 427 kgm/kcal o en el sistema de normas internacionales ISO 4184 joule/1000 cal (cal=caloras), siendo un joule igual a 1 N x m Newton x metro (Newton en mayuscula por ser un nombre propio). 2. Una mquina trmica slo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un manantial a temperatura superior y lo cede en parte a otro a temperatura inferior. Es decir, el calor no puede transferirse de un cuerpo ms fro a otro ms caliente.

Principio bsico de funcionamientoEn un motor trmico se producen una serie de transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energa trmica en forma de calor y devuelve energa mecnica en forma de trabajo.

Eficiencia de los motores trmicosLa eficiencia de varios motores trmicos propuestos o usados hoy en da oscila entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de conversin de energa trmica del ocano, el 25% para la mayor parte de los motores de automviles, el 35% para una planta generadora de carbn supercrtico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la depresin de la temperatura a travs de ellos. Por ejemplo, los sistemas de conversin de energa trmica del ocano emplean una diferencia de

temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del ocano, es decir, una diferencia de tal vez 25 grados celsius, por lo que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 grados celsius, es decir, una diferencia de hasta 1500 grados, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se aade el ciclo de enfriamiento de vapor.

Clasificacin de los motores trmicosPara la clasificacin de los motores trmicos, adems de los criterios ya mencionados en el caso de mquinas de fluido, se tienen en consideracin dos aspectos adicionales:

Si el fluido es condensable (agua) o no condensable (aire). Si el proceso es de combustin externa o interna.

Mquinas de combustin internaEn las mquinas de combustin interna, son los gases de la combustin los que circulan por la propia mquina. En este caso, la mquina ser necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor ser el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustin.

Motores de combustin interna Rotativo Turbomquina Volumtrico Encendido por compresin Encendido provocado Motor cohete Reaccin Aerorreactor sin compresor Aerorreactor con compresor Turbina de gas de ciclo abierto Motor Wankel, Quasiturbina Motor disel Motor de explosin (Otto, Miller, de mezcla pobre, de Ciclo Atkinson) Cohete espacial de propulsante lquido/slido Estatorreactor Pulsorreactor Turborreactor Turbofn Turbohlice

Alternativo

Mquinas de combustin externaSi la combustin es externa, el calor de la combustin se transfiere al fluido a travs de una pared, por ejemplo en un intercambiador de calor. Este tipo de mquinas no exige un proceso de combustin, como sucede en las instalaciones nucleares, si bien es el procedimiento usual. Dado que el fluido motor no sufre degradacin alguna, estas mquinas pueden ser de ciclo cerrado, a lo que actualmente se tiende por razones econmicas.

Motores de combustin externa

Fluido condensable Fluido no condensable

Turbomquina Alternativo Turbomquina Alternativo

Turbina de vapor ciclo abierto o cerrado Mquina de vapor ciclo abierto o cerrado Turbina de gas de ciclo cerrado Motor Stirling

NOTA: Los motores volumtricos rotativos y de reaccin no han sido desarrollados.

MOTORES TRMICOSUn motor trmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energa trmica) en trabajo (energa mecnica) de modo continuo. Para ello, el motor describe ciclos termodinmicos entre dos focos a diferente temperatura. Del foco a temperatura ms elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1) Parte de este calor lo transforma en trabajo (W) y el resto (Q2) es cedido al foco a menor temperatura (T2).

En la figura inferior podemos ver el esquema de un motor trmico.

Segn el 2 Principio, Q2 nunca puede ser cero. El rendimiento de un motor trmico es la relacin existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.

Los corolarios de Carnot marcan cul es el rendimiento mximo que se puede obtener en un motor trmico.

"Todos los ciclos reversibles que operan entre los mismos focos de temperatura tienen el mismo rendimiento, que adems es el mximo." El teorema de Carnot relaciona el rendimiento mximo del motor trmico reversible con la temperatura de los focos:

Carnot dise un ciclo termodinmico reversible y que, por lo tanto, posea el mximo rendimiento que puede tener una mquina trmica.

El ciclo de Carnot esta formado por 4 etapas. Dos transformaciones isotrmicas y dos transformaciones adiabticas. En el diagrama (presin - volumen) inferior podemos observar el ciclo de Carnot.

Adems del ciclo de Carnot existen otros ciclos que poseen el rendimiento mximo. Entre ellos, los ms conocidos son:

1. El ciclo de Ericsson: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos

transformaciones isotermas y dos isobaras. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Ericsson.

2. El ciclo de Stirling: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos

transformaciones isotrmicas y dos transformaciones a volumen constante (isocoras). En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Stirling.

3. El ciclo de Bouasse: En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos

transformaciones isotrmicas y dos transformaciones lineales. En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Bouasse.

MQUINAS TRMICAS INVERSASCon las mquinas inversas lo que conseguimos es calentar o enfriar una zona a expensas de consumir un trabajo. El calor (Q2) que absorbe de uno de los focos gracias al trabajo (W) aportado, es cedido, junto con ste trabajo, al segundo foco trmico.

En esta figura podemos ver el esquema de una mquina inversa.

Si el efecto til perseguido es el calor cedido tenemos una bomba de calor. La eficiencia de una bomba de calor es la relacin existente entre el calor cedido y el trabajo aportado.

Si el efecto til perseguido es el calor absorbido tenemos una mquina frigorfica. La eficiencia de una mquina frigorfica es la relacin entre el calor absorbido y el trabajo aportado.

Motor trmicoArtculo de la Enciclopedia Libre Universal en Espaol.Saltar a navegacin, buscar Un motor trmico es una mquina que convierte la energa trmica de un fluido obtenido mediante un proceso de combustin o nuclear, en energa mecnica. Para la clasificacin de los motores trmicos, adems de los criterios ya mencionados en el caso de mquinas de fluido, se tienen en consideracin dos aspectos adicionales:

Si el fluido es condensable (agua) o no (aire). Si el proceso es de combustin externa o interna.

En las mquinas de combustin interna, son los gases de la combustin los que circulan por la propia mquina. En este caso, la mquina ser necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustin. Motores de combustin interna Rotativo Alternativo Turbomquina Volumtrico Encendido provocado Encendido por Turbina de gas de ciclo abierto Motor Wankel Motor de explosin (Otto, Miller) Motor disel

compresin Motor cohete Reaccin Aerorreactor sin compresor Aerorreactor con compresor Propulsante lquido/slido Estatorreactor Pulsorreactor Turborreactor Turbofan Turbohlice

Si la combustin es externa, el calor de la combustin se transfiere al fluido a travs de una pared, por ejemplo en un intercambiador de calor. Indudablemente, este tipo de mquinas no exigen un proceso de combustin, como sucede en las instalaciones nucleares, si bien es el procedimiento usual. Dado que el fluido motor no sufre degradacin alguna, estas mquinas pueden ser de ciclo cerrado, a lo que actualmente se tiende por razones econmicas. Motores de combustin externa[1] Fluido condensable Turbomquina Alternativo Turbina de vapor ciclo abierto o cerrado Mquina de vapor ciclo abierto o cerrado

Turbomquina Turbina de gas de ciclo cerrado Fluido no condensable Alternativo Motor StirlingEl motor trmico o mquina trmica es uno de los conceptos terico-prctico ms importantes en el estudio de la termodinmica, la rama de la fsica que estudia los procesos energticos. Una mquina trmica es un dispositivo que toma calor y por medio de un mecanismo lo trasforma en trabajo. Cualquier modelo de una mquina trmica debe incluir cuatro cosas al menos: una fuente de calor o foco caliente, la mquina en s, el trabajo producido y el foco fro que recibe el calor remanente del proceso y, por supuesto, debe estar a una temperatura mucho ms baja que el foco caliente. Con un ejemplo clsico nos podemos dar para entender: el foco caliente puede ser la caldera donde el vapor se calienta, la mquina es la mquina de vapor, el foco fro es el ambiente que rodea a la mquina y el trabajo lo podemos ver por el desplazamiento de la mquina en el caso de una locomotora de vapor. El estudio de este modelo llev a un ingeniero militar francs cuyo nombre es Sadi Carnot a desarrollar lo que se conoce como la mquina de Carnot en la que se idealiza el proceso de compresin-expancin de un gas para tomar energa de un foco caliente y transformarla en trabajo. Carnot descubre que es imposible trasformar todo el calor suministrado por el foco caliente y convertirlo en trabajo, a este principio se le llama la segunda ley de la termodinmica y por lo tanto que ninguna mquina trmica (en nuestro caso motor trmico) puede ser ms eficiente que la que l ha diseado. Tambin descubre que entre mayor es la temperatura del foco caliente y

menor la del foco fro aumenta la eficiencia de la mquina trmica. Aunque no voy a mostrar los clculos pertinentes, si voy a usar datos que se pueden calcular con facilidad para algunos ejemplos. Como el primero de estos ejemplos para graficar lo que hemos hablado sobre el motor trmico veamos una mquina de vapor: la caldera debe estar a unos 100 grados Celcius y el ambiente a unos 25 grados Celcius, la eficiencia de una mquina de Carnot en tales circunstancias es de un 20 por ciento y si nos vamos a nuestros automviles que segn los fabricantes son muy eficientes diremos que un motor disel fcilmente alcanza los 600 grados Celcius y la temperatura ambiental llega con facilidad a los 100 grados de esta manera tendremos una eficiencia del 57 por ciento para una mquina de Carnot. He de aclarar que no conozco con detalle cual es el criterio de los fabricantes de autos para establecer la eficiencia de sus mquinas pero por lo que he ledo sobre el tema se trata de una comparacin con respecto a una mquina de Carnot (el clsico motor trmico que mencionamos). Tambin estn las turbinas que alcanzan rendimientos muy similares al de una mquina de Carnot y el motor Stirling que casi es una mquina de Carnot (y no es casualidad, Canot estudi el motor Stirling para encontrar el motivo de su eficiencia) con el inconveniente de que no tiene la potencia de los motores de gasolina o disel ni que decir de las turbinas.