MÁQUINAS TÉRMICAS máquina frigorífica REPASO DE...

Máquinas térmicas. Tecnología Industrial II. IES Palas Atenea.

MÁQUINAS TÉRMICAS

Las máquinas térmicas son aquellas que funcionan intercambiando energía en forma de calor entre

dos focos a diferente temperatura. Dependiendo de cómo se realice este intercambio, podremos

tener un motor térmico o una máquina frigorífica. En general, estos intercambios de energía se

producen usando fluidos en estado gaseoso (aunque en algunos casos también tendremos fluidos en

estado líquido). Por ello, antes de estudiar a fondo tanto los motores como los frigoríficos, debemos

hacer un repaso cuáles son las magnitudes básicas que definen el estado de un gas y las diferentes

transformaciones que podemos llevar a cabo en él. De este estudio se encarga una rama de la física

denominada termodinámica.

REPASO DE TERMODINÁMICA.

La termodinámica estudia las propiedades macroscópicas de los gases y sus transformaciones. Dado

que es imposible estudiar el comportamiento individual de las 1023 partículas que componen el

sistema, la termodinámica trabaja con magnitudes macroscópicas reflejo de los promedios

estadísticos del sistema.

En este curso, supondremos que los gases son ideales, y por lo tanto cumplen la ley de los gases

perfectos.

p·V = N·R·T

Es muy importante, a la hora de manejar esta ecuación, que las temperaturas siempre se expresan en

la escala absoluta de temperaturas (0ºC = 273K), y que en ella no existen las temperaturas

negativas.

Magnitudes termodinámicas básicas.

Temperatura (T)

La temperatura se define como la energía (cinética) media por partícula en el gas. Cuanto mayor sea

la energía cinética individual de una de las partículas del gas, mayor será su velocidad. Por lo tanto,

cuando choque con otra de las partículas del gas (o nuestra cara) mayor será la energía desprendida

en forma de calor (y por tanto, más caliente nos parecerá el aire en el que estamos inmersos).

Como ya se ha mencionado anteriormente, la temperatura se mide en kelvins (escala absoluta)

Energía interna (U)

Se define como la suma de las energías de cada una de las partículas del gas. En el sistema

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internacional se mide en Julios (J), aunque en ingeniería se usa bastante a menudo la caloría (cal).

La relación entre ambas es 1 J = 0,24 cal.

Calor (Q)

El calor se define como la energía intercambiada entre dos sistemas que entran en contacto. Por lo

tanto, en el sistema internacional se mide en J.

Podemos tener dos casos.

• Los sistemas están a diferente temperatura. En ese caso la transferencia de energía se

produce desde el sistema a mayor temperatura hacia el sistema a menor temperatura, hasta

que ambos las igualan. El calor cedido o absorbido (ya veremos más adelante el criterio de

signos) se calcula según la fórmula:

Q = m·ce·∆T

Donde m es la masa del gas, ce su calor específico (cantidad de energía necesaria para

incrementar 1ºC la temperatura de 1 gramo de la sustancia) y ∆T la variación de la

temperatura del sistema.

• Uno de los sistemas permanece a temperatura constante. Es el caso que se da en los

cambios de fase de las sustancias puras, que se produce sin variaciones de temperatura. En

ese caso, el calor cedido o absorbido se calcula según:

Q = m·cL

Donde cL es el calor latente de fusión (energía necesaria para producir el cambio de fase a 1

g de la sustancia)

Trabajo (W)

Supongamos que tenemos un gas en un recipiente una de cuyas paredes es móviles. Si la fuerza que

ejercen las partículas del gas sobre la pared móvil es suficiente para desplazarla, el gas se expandirá

y realizará un trabajo, ya que éste se define como W = F · ∆x. Si, por el contrario, una fuerza

exterior comprime el gas, diremos que se realiza trabajo sobre el sistema. Al igual que ocurría con

el caso del calor, veremos más adelante el criterio de signos.

Como la fuerza y el desplazamiento no son variables que definen un sistema termodinámico

(llamadas variables de estado), podemos jugar con la fórmula hasta obtener una expresión en

función de variables de estado, multiplicando y dividiendo por la superficie del recipiente que

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contiene al gas:

W = F · x = F · ∆x ·S/S = F/S · ∆x·S = p · ∆V

Relación entre U, Q y W. Primer principio de la termodinámica. Criterio de signos.

El primer principio de la termodinámica implica la conservación de la energía. Por lo tanto si el

sistema intercambia calor o trabajo con el exterior, su energía interna deberá variar:

∆U = Q - ∆W

Criterio de signos:

• Si el sistema absorbe calor, su energía interna aumentará. Q>0

• Si el sistema cede calor, Q<0

• Si el sistema realiza trabajo, ∆W>0. En este caso, el sistema ha perdido energía interna,

por eso aparece un signo -. El gas ha sufrido una expansión.

• Si se realiza trabajo sobre el sistema, ∆W<0. El gas ha sufrido una compresión

Transformaciones termodinámicas.

Si tenemos un gas en unas condiciones iniciales de presión, volumen y temperatura y logramos que

una, varias o todas esas magnitudes, cambien de valor, diremos que el gas ha sufrido una

transformación termodinámica.

Para estudiarlas, son muy útiles los diagramas p-V, en los que se muestran las presiones y

volúmenes del gas al inicio y al final de la transformación, así como sus valores intermedios durante

la transformación.

En ellos, también podemos medir el valor absoluto de la variación del trabajo, ya que será el área

bajo la curva. Si es una expansión el trabajo será positivo, y negativo en caso de una compresión.

Transformación isócora.

Se realiza a volumen constante. Por lo tanto, no producen ni consumen

trabajo, y todas las variaciones de energía interna se deben a intercambio

de calor.

∆U = Q = m·cv·∆T

Donde cv es el calor específico del gas a volumen constante.

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Transformación isóbara.

Se produce a presión constante. Hay intercambios de calor y de

trabajo con el exterior.

W = p · ∆V

Q =m·cp·∆T

Donde cp es el calor específico del gas a presión constante.

Transformación isoterma.

Se produce a temperatura constante. Como tampoco cambia el número de partículas del sistema, no

hay variación de la energía interna. Por lo tanto, Q = ∆W.

Para calcular el trabajo, integramos, ya que nos dará el área bajo la curva

entre los puntos inicial y final. Para ello, usaremos diferenciales en vez

de incrementos.

dW = p · dV

W=∫ p ·dV=∫(nRTV

) · dV=nRT lnV

Si calculamos la integral definida:

W = nRT (lnVf – lnVi) = nRT ln(Vf /Vi)

Transformación adiabática.

Son las que se producen sin que el sistema intercambie calor. Por lo tanto, todas

las variaciones de energía interna serán en forma de trabajo, justo lo que interesa

en un motor térmico.

Pi ·Vγi=P f ·V

γf

V i · Tγ−1i

=V f ·Tγ−1f

Donde γ = cp / cV es el coeficiente de expansión adiabático del gas (1,4 para el aire)

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Máquinas Térmicas. 2º Principio de la termodinámica

Por lo que se ha visto hasta ahora, parecería factible construir una máquina térmica que pudiese

extraer energía en forma de calor de algún sitio al que denominaremos foco caliente y, mediante una

transformación termodinámica adecuada, convertirlo en trabajo. Sin embargo, esto no está

permitido por el segundo principio de la termodinámica.

Este principio, relacionado con la entropía, presenta varias formulaciones equivalentes diferentes.

En nuestro caso, se puede expresar como la imposibilidad de fabricar una máquina térmica que

funcione intercambiando calor con un único foco de temperatura. En otras palabras, necesitamos

intercambiar calor entre dos focos, uno llamado foco caliente, a una temperatura TC y otro llamado

foco frío, que permanecerá a una temperatura inferior, TF.

Motor térmico

En un motor térmico, extraeremos un calor QC del foco caliente.

Parte de él podrá ser transformado en trabajo útil W. La fracción

que no hayamos podido transformar en trabajo será expulsado

en forma de calor QF al foco frío.

Se define el rendimiento de un motor térmico como el cociente

entre el trabajo obtenido y la energía absorbida del foco caliente:

η=WQC

=QC−QF

QC

=1−QF

QC

Máquina frigorífica

En una máquina frigorífica deseamos eliminar calor del foco

frío para mantener baja su temperatura, enviando dicho calor

al foco caliente. Dado que queremos que el calor circule en el

sentido contrario al permitido por la termodinámica

necesitaremos aportar trabajo desde el exterior para poder

forzar el intercambio. Se define así la eficiencia de la máquina

como:

ε=QF

W=

QF

QC−QF

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Ciclos termodinámicos

El segundo principio de la termodinámica impide, como ya hemos visto, construir una máquina

térmica que trabaje intercambiando calor con un único foco de temperatura. Si queremos construir

un motor térmico deberemos llevar a un fluido a la temperatura del foco caliente, donde absorberá

QC, expandiremos el gas para producir trabajo y llevarlo a la temperatura del foco frío, donde se

cederá QF y lo volveremos a comprimir para subir su temperatura hasta la del foco caliente y

realizar el proceso de nuevo.

Esta serie de transformaciones termodinámicas que se producen en el fluido (generalmente gas)

forman lo que se denomina ciclo termodinámico, en el que el gas es devuelto a su estado inicial de

presión, volumen y temperatura al finalizar dicho ciclo.

Como se ha visto antes, en una transformación termodinámica importa tanto las condiciones

iniciales y finales del gas como el camino que se ha recorrido entre

ambas. De esta forma, podemos realizar los intercambios de calor y

trabajo que definen a una máquina térmica.

En general, un ciclo en el que las líneas que definen las

expansiones (que generan trabajo) se encuentran por encima de las

de las compresiones (que consumen trabajo) indica que la máquina

térmica es un motor. El trabajo neto será el área encerrada por el

ciclo, y su signo positivo. Son ciclos que se recorren en el sentido

horario.

Por el contrario, un ciclo termodinámico correspondiente a una

máquina frigorífica se recorre en sentido antihorario, las

compresiones se encuentran por encima de las expansiones y el

trabajo neto será negativo.

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Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot nos da el rendimiento máximo teórico que puede tener un motor térmico (o la

eficiencia máxima de un frigorífico). Analizaremos en primer lugar el correspondiente a un motor

térmico, siendo el correspondiente a una máquina frigorífica estudiado posteriormente.

En él, el fluido que se usa para intercambiar energía es sometido a las siguientes transformaciones:

1-2 Expansión isoterma a la temperatura del

foco caliente. Se produce la absorción de

calor del foco caliente.

2-3 Expansión adiabática. En ella se produce

trabajo y el fluido baja su temperatura hasta

igualarse con la del foco frío.

3-4 Compresión isoterma a la temperatura del

foco frío. Se produce la cesión de la energía

que no ha podido ser transformada en trabajo

en forma de calor cedido al foco frío.

4-1 Compresión adiabática para subir la temperatura del fluido a la del foco caliente e iniciar un

nuevo ciclo.

Se puede demostrar que el rendimiento de este ciclo se expresa como:

η=1−T F

TC

Recordemos que la temperatura siempre se expresa en escala Kelvin. Esta fórmula indica que el

rendimiento teórico máximo de un motor térmico depende de las temperaturas a las que se

encuentren los focos, aumentando cuanto mayor sea la diferencia entre ambas. Además, también

indica que no podemos tener un rendimiento del 100%, ya que para ello necesitaríamos o bien una

temperatura infinita en el foco caliente o de cero absoluto en el foco frío, siendo ambas cosas

imposibles.

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Motores térmicos

Los motores térmicos se clasifican del siguiente modo:

Motores de combustión externa (máquina de vapor)

En los motores de combustión externa, el lugar en el que el fluido absorbe el calor del foco caliente

(en este caso, una caldera) es diferente al lugar en el que tiene lugar la expansión adiabática que

genera trabajo. Si esta expansión se produce en un cilindro tendremos un movimiento lineal

alternativo, y si se produce en una turbina un movimiento rotatorio. Los motores alternativos están

en desuso pero los rotatorios son los usados en las centrales térmicas para producir electricidad.

Este motor funciona según el ciclo de Rankine

La máquina de vapor consta de las siguientes partes:

Caldera: es el recinto donde se recibe el calor generado por la combustión. La combustión del

combustible tiene lugar en un elemento exterior (quemadores) y el agua contenida en la caldera

recibe el calor producido

Turbina/Pistón: es el elemento que convierte la energía del vapor en energía mecánica. El

trabajo puede producirse de dos formas:

a) motor alternativo: el vapor empuja el pistón contenido en un

cilindro que a su vez acciona un sistema biela-manivela; para que le

proceso sea continuo el pistón debe realizar un movimiento

alternativo y para ello dispone de un sistema distribuidor que permite

la entrada de vapor por una u otra cara

del pistón, empujándolo cada vez en un

sentido.

b) motor rotativo el vapor empuja los

álabes de una turbina; al chocar con

ellos hace girar el eje de la máquina.

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MotoresTérmicos {Combustión externa{AlternativosRotatorios }Ciclo Rankine

Combustión interna {Alternativos{Encendido provocado (MEP){4 tiempos

2 tiempos }CicloOtto

Encendido por compresión(MEC){4 tiempos2 tiempos}CicloDiésel}

Rotatorios(Ciclo Brayton)}}


Condensador: se trata de un intercambiador de calor en el que el vapor de agua se enfría y

vuelve a pasar al estado líquido

Bomba: impulsa el agua a la salida del condensador para que vuelva a la caldera.

El ciclo realizado por la máquina de vapor se denomina ciclo Rankine y consta de las siguientes

etapas

1-2 Expansión isobara: corresponde a la entrada de agua

en la caldera y absorbe el calor QC (proporcionado por la

combustión del combustible), transformándose el agua

líquida en vapor. Este proceso tiene lugar a presión

constante (la presión de la caldera) y se produce un

aumento de volumen debido al cambio de fase.

2-3 Expansión adiabática: el vapor sufre una expansión,

produciendo trabajo.

3-4 Compresión isobara: corresponde al paso del vapor por el condensador, donde cede el calor

QF y se transforma de nuevo en líquido, reduciendo su volumen. Este proceso tiene lugar a

presión constante (normalmente la presión atmosférica)

4-1 Transformación isócora: corresponde al paso del

agua líquida desde el condensador a la caldera

impulsada por la bomba, iniciando de nuevo el ciclo.

Este proceso es isócoro pues el agua líquida no cambia

de volumen.

El ciclo de Rankine es ideal, ya que en la práctica, entre

otras cosas, no es posible realizar el proceso 3-4.

El ciclo de Rankine real trata de aproximarse al ideal y

tiene el

aspecto

de la figura adyacente. Antes de la caldera se

introduce un precalentador que convierte el agua

en vapor (proceso 5-1), de forma que en la caldera

entra vapor y se aumenta su temperatura.

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El rendimiento del ciclo Rankine se considera como un porcentaje del rendimiento del ciclo de

Carnot ideal.

MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUTIÓN INTERNA (4 TIEMPOS)

El motor alternativo transforma la energía térmica en energía mecánica

mediante uno o varios pistones (lo más habitual es cuatro). El pistón se

desplaza en el interior de un cilindro, realizando un movimiento lineal

alternativo; el pistón está conectado a una biela que transmite el movimiento

a la manivela del cigüeñal y de esta forma se convierte en movimiento

rotativo.

En la parte superior, denominada culata, el cilindro dispone de dos válvulas:

la válvula de admisión (VA) y la válvula de escape (VE). Su movimiento de apertura y cierre está

controlado por el árbol de levas, sincronizado con el movimiento del cigüeñal.

El PMS es el punto más alto que alcanza el pistón

El PMI es el punto más bajo que alcanza el pistón

La carrera (L o C) es el recorrido del pistón, entre el PMS y el

PMI

La cámara de combustión es el volumen encerrado entre la

culata y la cara superior del cilindro (cuando el pistón se encuentra en el PMS)

El volumen del cilindro, también llamado volumen unitario, será:

V u=π4D2 L

La cilindrada es el volumen barrido por todos los pistones del motor: cilindrada=nVu

El volumen que queda en el interior del cilindro cuando el pistón está en el PMS se denomina

volumen de combustión (Vc)

La relación de compresión es el cociente entre el volumen del cilindro cuando está en el PMS (Vc ,

que es el volumen de la cámara de combustión) y el volumen del cilindro cuando el pistón está en el

PMI (Vc+Vu , que es el volumen total):

r=V u+ V c

V c

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Según la forma de producirse la ignición del combustible, los motores pueden ser de dos tipos:

a) Motor de encendido provocado (MEP): el combustible se mezcla con aire antes de entrar en el

cilindro (antiguamente esta mezcla se hacía en el carburador y hoy en día se utilizan sistemas de

inyección). El encendido se produce mediante la chispa que suministra una bujía. Utilizan gasolina

y siguen en ciclo Otto.

b) Motor de encendido por compresión (MEC): en este tipo de motores solo entra aire en el cilindro

y es comprimido fuertemente, elevando la temperatura, de forma que al inyectar el combustible éste

se inflama directamente sin necesidad de chispa. Utilizan gasóleo y siguen el ciclo Diesel.

El funcionamiento general del motor de cuatro tiempos se basa en 4 etapas:

PRIMER TIEMPO - ADMISIÓN: El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS)

al punto muerto inferior (PMI); se abre la válvula de admisión y entra en el cilindro la mezcla

combustible-aire (en el caso de los Diesel sólo entra aire)

SEGUNDO TIEMPO - COMPRESIÓN: Se cierra la válvula de admisión y el pistón asciende

desde el PMI al PMS comprimiendo el gas del interior del cilindro

TERCER TIEMPO - EXPANSIÓN: Se produce la inflamación del combustible (en el caso del

motor Otto se produce una explosión al saltar una chispa de la bujía, y el motor Diesel se

produce una combustión progresiva al introducir el combustible en la cámara de combustión).

Los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia el PMI, produciendo trabajo.

CUARTO TIEMPO - ESCAPE: Se abre la válvula de escape y los gases salen al exterior; el

pistón asciende hasta el PMS, empujando al resto de los gases a salir del cilindro.

Cuando el pistón llega al PMS se cierra la válvula de escape y se reinicia el proceso.

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Sólo se produce trabajo en el tercer tiempo, que es almacenado en un volante de inercia para

permitir el movimiento del pistón en los demás tiempos. En cada ciclo el pistón sube y baja dos

veces, lo que equivale a dos vueltas del cigüeñal.

a) MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP). CICLO OTTO

0-1: Expansión isóbara: corresponde a la entrada de la mezcla combustible-aire en el cilindro

1-2: Compresión adiabática: corresponde a la compresión de la mezcla, cuando el pistón sube desde

PMI a PMS

2-3: Explosión: proceso isócoro que corresponde a la

explosión de la mezcla al soltar una chispa la bujía; el

proceso se considera instantáneo y no hay cambio de

volumen (solo un aumento de P y T).

3-4: Expansión adiabática: el pistón baja hasta PMI

empujado por los gases producidos en la combustión.

4-1: Proceso isócoro, correspondiente a la primera fase de escape de los gases en la que salen de

forma espontánea al abrirse la válvula de escape

1-0: Compresión adiabática: corresponde a la expulsión del resto de los gases al ser empujados por

el pistón cuando sube hasta el PMS

El rendimiento del ciclo Otto es:

η=1−1

r γ−1

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siendo r la relación de compresión volumétrica y γ el coeficiente adiabático (1,33 para la mezcla

aire-gasolina)

El primer tiempo corresponde a la etapa 0-1, el segundo tiempo a la etapa 1-2, el tercer tiempo

comprende las etapas 2-3 y 3-4, y el cuarto tiempo comprende las etapas 4-1 y 1-0.

b) MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MEC). CICLO DIESEL

0-1: Expansión isóbara: corresponde a la entrada de aire en el

cilindro

1-2: Compresión adiabática: corresponde a la compresión del

aire, cuando el pistón sube desde PMI a PMS (la relación de

compresión es más alta que en el motor tipo Otto)

2-3: Expansión isóbara: se inyecta el combustible y debido a la

alta P y T de la cámara de combustión se inflama al entrar en

contacto con el aire. No es necesaria la bujía; tampoco se

produce una explosión sino una combustión progresiva del combustible.

3-4: Expansión adiabática: el pistón baja hasta PMI empujado por los gases producidos en la

combustión.

4-1: Proceso isócora, correspondiente a la primera fase de escape de los gases en la que salen de

forma espontánea al abrirse la válvula de escape

1-0: Compresión adiabática: corresponde a la expulsión del resto de los gases al ser empujados por

el pistón cuando sube hasta el PMS

El rendimiento del ciclo Diesel es:

siendo: r la relación de compresión volumétrica, rc la relación de combustión (V3/V2) y γ el

coeficiente adiabático (1,44 en el caso del aire)

Al igual que el caso del ciclo Otto, el primer tiempo corresponde a la etapa 0-1, el segundo tiempo a

la etapa 1-2, el tercer tiempo comprende las etapas 2-3 y 3-4, y el cuarto tiempo comprende las

etapas 4-1 y 1-0

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Comparación entre el ciclo Otto y el ciclo Diesel

Si la relación de compresión es la misma, en teoría el rendimiento del ciclo Otto es mejor que el del

Diesel, pues el poder calorífico de la gasolina es mayor. Sin embargo, en la práctica la relación de

compresión es mayor en el caso del ciclo Diesel y es mejor la relación aire-combustible, por lo cual

acaba siendo mejor el rendimiento del ciclo Diesel. Por otro lado, la combustión del gasóleo

produce mayor cantidad de agentes contaminantes.

Agentes contaminantes producidos en los motores de combustión

CO2: debido al proceso de combustión (C+O2CO2+calor); es el principal responsable del

efecto invernadero

CO: se produce en las combustiones incompletas, cuando hay escasez de O2; es venenoso

NOX: se generan en la combustión cuando se alcanzan altas temperaturas y presiones; son

responsables de la lluvia ácida

SOX: se producen por la oxidación del S que contiene el combustible (0,5% gasóleo, 0,15%

gasolina); son responsables de la lluvia ácida

Hidrocarburos inquemados: se desprenden en las combustiones incompletas; son agentes

cancerígenos

Humos y hollín: residuos sólidos volátiles; causantes de problemas respiratorios

Algunas de las posibles soluciones para disminuir la contaminación son:

mejorar la composición del combustible (reducir el S)

mejorar el diseño del motor para conseguir una combustión más eficaz

actuaciones sobre los gases de escape

Los ciclos teóricos difieren de los reales; éstos se

obtienen por medición directa y se denominan

diagramas indicados.

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MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUTIÓN INTERNA (2 TIEMPOS)

El ciclo se realiza en solo dos carreras del pistón. No dispone de válvulas, y la entrada y salida de

gases y combustible se realiza por las lumbreras; se trata de unos orificios situados en la pared del

cilindro, que son descubiertos y cerrados por el propio pistón al desplazarse.

Primer tiempo: cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación del combustible;

las gases producidos se expanden y empujan el pistón; éste, al bajar, abre la lumbrera de

escape, por donde salen los gases. A medida que el pistón baja hasta el PMI comprime la

mezcla combustible y se abre la comunicación del cilindro con el cárter a través de la

lumbrera de carga, permitiendo que la mezcla entre en el cilindro.

Segundo tiempo: el pistón sube desde el PMI hasta el PMS, comprimiendo la mezcla

combustible y cerrando la lumbrera de escape y la comunicación del cilindro con el cárter; al

mismo tiempo, al subir el pistón, abre la lumbrera de admisión, permitiendo la entrada de

la mezcla combustible en el cárter

En este caso el pistón sube y baja una vez en cada ciclo, de forma que el cigüeñal da media vuelta

en cada carrera.

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TURBINA DE GAS. CICLO BRAYTON

La turbina de gas consta de tres partes:

Compresor: aspira aire del exterior, a presión atmosférica y temperatura ambiente, que es

fuertemente comprimido

Cámara de combustión: cuando el aire comprimido entra en la cámara de combustión se

inyecta el combustible, produciéndose la inflamación del mismo

Turbina: los gases producidos en la combustión se expanden, aumentando el volumen y

disminuyendo la temperatura. En esta fase se produce trabajo.

Las turbinas de gas son utilizadas en aviación. Hay dos diseños básicos:

a) Turbo-reactor: los gases producidos salen a gran velocidad por la tobera, produciendo el

empuje de la máquina por efecto de acción-reacción

b) Turbo-hélice: los gases producidos empujan la turbina conectada a una hélice; en este caso se

produce un pequeño efecto de acción-reacción y el impulso de la máquina es producido sobre

todo por la tracción de la hélice.

En ambos casos parte de la fuerza de los gases se

emplea para accionar el compresor.

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El ciclo realizado por la turbina de gas se denomina ciclo Brayton y consta de tres etapas

A-B Compresión adiabática: corresponde a la compresión del aire en el compresor,

produciéndose un notable aumento de presión y temperatura

B-C Expansión isobara: corresponde a la inyección del combustible y su inmediata

inflamación en la cámara de combustión; el proceso tiene lugar a presión constante, se

produce un aumento de volumen y se absorbe el calor QC

C-D Expansión adiabática: los gases producto de la combustión se expanden en la turbina,

disminuyendo la presión y la temperatura

EL ciclo Brayton es un ciclo abierto: el aire se aspira de la atmósfera y los gases se expulsan a la

atmósfera; los gases ceden el calor QF directamente a la atmósfera.

El rendimiento del ciclo Brayton es:

siendo: r la relación entre la presión a la salida y a la entrada del compresor y γ el coeficiente

adiabático

MÁQUINA FRIGORÍFICA

La refrigeración consiste en conseguir que un

recinto se mantenga a una temperatura inferior a

la del entorno. Para conseguir esto la máquina

frigorífica toma calor QF de una fuente fría (foco

frío, a la temperatura TF) y cede calor QC a otra

fuente caliente (foco caliente a la temperatura TC);

Dado que que queremos que el calor fluya en el

sentido prohibido por la termodinámica (de foco

frío a foco caliente) necesitaremos aportar una

energía externa en forma de trabajo W para forzar

dicho flujo.

En las máquinas frigoríficas no se habla de rendimiento sino que se define la eficiencia (ε) o

coeficiente de operación (COP): relaciona el calor extraído del foco frío y el trabajo necesario

para conseguir el flujo de calor.

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ε=QF

W=

QF

QC−QF

Los sistemas de refrigeración de vapor constan de los siguientes elementos básicos:

Compresor: toma el fluido refrigerante en

estado vapor a baja presión y lo comprime,

aumentando su presión, para lo cual es necesario

la realización de trabajo W. En la compresión se

lleva al líquido a la temperatura del foco

caliente.

Condensador: es un intercambiador de calor en

contacto con el exterior. Al recibir el vapor a

alta presión procedente del compresor, el fluido

cambia de fase y pasa a estado líquido, cediendo el calor latente al exterior (Qc)

Válvula de expansión: recibe el líquido procedente del condensador y disminuye su

presión. Así bajamos la temperatura del fluido refrigerante hasta la del foco frío. Se puede

sustituir las válvula de expansión por una turbina. En este caso, obtendremos trabajo

mecánico que puede ser usado para mover el compresor, disminuyendo así la energía en

forma de trabajo que debemos aportar desde el exterior para comprimir el fluido

refrigerante. De esta forma se aumenta la eficiencia de la máquina frigorífica.

Evaporador: es un intercambiador de calor en contacto con el recinto a refrigerar. Al recibir

el líquido refrigerante a baja presión, el fluido cambia de fase y pasa a estado vapor; para

ello absorbe el calor latente (QF) procedente del recinto a refrigerar (al perder QF baja su

temperatura).

La máquina frigorífica ideal realiza un ciclo de Carnot inverso que consta de cuatro etapas:

1-2: Compresión adiabática: se comprime el vapor

aumentando la presión (de P1 a P2) y la temperatura (de TF a

TC) mientras disminuye el volumen (de V1 a V2); para ello se

consume el trabajo W. Corresponde al proceso que tiene lugar

en el compresor.

2-3: Compresión isoterma (a TC): se produce el cambio de

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fase, cediéndose QC; en este proceso se produce una disminución de volumen (de V2 a V3) y un

aumento de presión (de P2 a P3). Corresponde al proceso que tiene lugar en el condensador.

3-4: Expansión adiabática: el líquido se expande, disminuyendo la presión (de P3 a P4) y la

temperatura (de TC a TF), mientras en volumen aumenta (de V3 a V4). Corresponde al proceso que

tiene lugar en la válvula de expansión

4-1: Expansión isoterma (a TF): se produce el cambio de fase, absorbiéndose QF; en este proceso se

produce un aumento de volumen (de V4 a V1) y una disminución de presión (de P4 a P1).

Corresponde al proceso que tiene lugar en el evaporador.

Si se sustituyen los datos de las transformaciones en la expresión para calcular la eficiencia de la

máquina frigorífica, la eficiencia del ciclo de Carnot inverso resulta ser:

ε=T F

T C−T F

La eficiencia depende solo de las temperaturas del foco frío y del foco caliente.

Características del fluido refrigerante:

Los fluidos refrigerantes también reciben el nombre de criogénicos y deben tener las siguientes

características:

calor latente de vaporización muy alto

presión de evaporación alta (superior a la atmosférica)

calor específico en estado líquido muy pequeño

no deben reaccionar con otros fluidos presentes en la instalación

Casi todos los compuestos refrigerantes son derivados del freón; en la actualidad está prohibida la

utilización de compuestos de cloro en instalaciones nuevas.

BOMBA DE CALOR

Es semejante a una máquina frigorífica con la particularidad de que los focos fríos y calientes son

intercambiables. De esta forma puede funcionar como sistema de refrigeración o de calefacción:

En verano el foco frío es el interior y el foco caliente el exterior de la vivienda; se consume

trabajo para refrigerar el interior (pasar calor del interior al exterior)

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En invierno el foco frío es el exterior y el caliente el interior de la vivienda; se consume

trabajo para calentar el interior (pasar calor del exterior al interior)

Para conseguir este funcionamiento se intercambian los papeles del condensador y del evaporador.

a) Bomba de calor funcionando como sistema de

refrigeración

El fluido se condensa en el intercambiador de calor situado

en el exterior del recinto, cediendo calor QC al exterior, y se

evapora en el intercambiador de calor del interior,

extrayendo calor QF del interior del recinto (y refrigerando

así el recinto).

εrefrig=T F

T C−T F

a) Bomba de calor funcionando como sistema de calefacción

El fluido se evapora en el intercambiador de calor

situado en el exterior del recinto, absorbiendo el calor

QF, y se condensa en el intercambiador de calor del

interior, cediendo el calor QC (y calentando así el

recinto).

En este caso, la eficiencia la definiremos como el

cociente entre lo que deseamos maximizar (el aporte

de calor al foco caliente) entre lo que queremos

minimizar (el trabajo aportado desde el exterior). Suponiendo que funciona según un ciclo de

Carnot inverso tendremos:

εcalefac=QC

W=

T C

T C−T F

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MÁQUINAS TÉRMICAS máquina frigorífica REPASO DE...

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