Máquinas térmicas
¿Qué es una máquina térmica?
Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura. Para ello estas máquinas utilizan sustancias de trabajo (gasolina, aire, vapor de agua).
En esta entrada vamos a distinguir tres tipos de máquinas térmicas:
· Motor térmico: Es una máquina que es capaz de convertir energía térmica (del calor) en energía mecánica (movimiento). Trabajando cíclicamente, transforma calor en trabajo útil. Normalmente se calienta un fluido (liquido o gas) y este, al evaporarse y aumentar su presión golpea contra un cilindro que causa el movimiento mecánico de rotación del motor a través de un mecanismo.
· Máquina frigorífica: Es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un foco a una determinada temperatura (foco más frío) y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Este tipo de máquinas térmicas normalmente utilizan como sustancias de trabajo (aire o vapor de agua). Algunos ejemplos de máquinas frigoríficas son los refrigeradores o aparatos de aire acondicionado.
· Bomba de calor: Es un dispositivo cuyo funcionamiento se asemeja al de una máquina frigorífica, la única de diferencia es que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente. En este caso el circuito debe estar situado de manera opuesta al de una máquina frigorífica. El funcionamiento consiste en captar el calor del aire u otro fluido del exterior. Este fluido se evapora que posteriormente pasará por el compresor para de esta forma aumentar la presión y por tanto la temperatura. Una vez que hemos conseguido que el gas se encuentre a una temperatura muy alta, este pasa a un condensador que cede la energía al aire que lo rodea, permitiendo así calentar el ambiente. Por último, el fluido pasa a una válvula de expansión que reducirá la presión del gas y también su temperatura. Y el ciclo se vuelve a repetir.
Motor de combustión interna
Este tipo de motores transforman la energía química del combustible en energía mecánico, cuando éste arde dentro de la cámara de combustión. Los motores de combustión están impulsados por un combustible (gasolina si es Ciclo de Otto o diesel si es ciclo de diesel). Los motores de combustión son muy utilizados y los más conocidos son los motores a explosión. En los motores de combustión se generan gases producto de la reacción exotérmica que tiene lugar (empuje del pistón), para desplazar el cilindro y poder mover el cigüeñal. El funcionamiento de este tipo de motores es cíclico y es imprescindible sustituir los gases por una nueva mezcla de combustible (renovación de carga). Esta mezcla debe ser 16 partes de aire por cada parte de combustible. Ahora vamos a explicar el funcionamiento de este tipo de motores, distinguiendo cuatro fases:
♦ Ciclo de admisión: El pistón baja dentro de el cilindro. La válvula de entrada se abre y aspira la mezcla de oxígeno y combustible, mientras que la válvula de salida esta cerrada. El oxígeno permite aumentar la fuerza de la explosión (sin oxígeno no hay combustión).
♦ Ciclo de comprensión: Ambas válvulas se encuentran en esta fase cerradas. El pistón sube y comprime la mezcla carburante. En este ciclo se consigue aumentar la presión del fluido para que así la explosión sea mayor.
♦ Ciclo de explosión: En esta fase, la bujía produce una pequeña chispa en la mezcla, que produce la ignición. Esto provoca el empuje del pistón, el cual baja y produce movimiento.
♦ Ciclo de escape: El pistón vuelve a subir (producto de su inercia) y la válvula de salida se abre dejando escapar producidos durante la explosión.
Todos estos procesos se repiten sin descanso y en una milésimas de segundo. Además, los motores de combustión consta de varios cilindros.
♦ Ciclo de comprensión: Ambas válvulas se encuentran en esta fase cerradas. El pistón sube y comprime la mezcla carburante. En este ciclo se consigue aumentar la presión del fluido para que así la explosión sea mayor.
♦ Ciclo de explosión: En esta fase, la bujía produce una pequeña chispa en la mezcla, que produce la ignición. Esto provoca el empuje del pistón, el cual baja y produce movimiento.
♦ Ciclo de escape: El pistón vuelve a subir (producto de su inercia) y la válvula de salida se abre dejando escapar producidos durante la explosión.
Todos estos procesos se repiten sin descanso y en una milésimas de segundo. Además, los motores de combustión consta de varios cilindros.
En los motores de combustión interna, podemos distinguir diferentes partes:
♦ Bloque motor: Estructura principal del motor y en él se unen las diferentes piezas que conforman el motor.
♦ Poleas: Dispositivo que a partir de la rotación sobre un mismo eje toma inercia proporcionando energía y movimiento.
♦ Cárter: Dispositivo que actúa como tapa de la parte inferior del motor, esta contiene el aceite que permite engrasar el mecanismo, al igual que protege los diferentes elementos entre sí.
♦ Bujía: Pieza que actúa como prendedor a partir de un destello (chispa), que en contacto con el gas inflamable, da lugar a la combustión que pone en marcha el encendido del motor.
♦ Cojinetes: Piezas que soportan el cigüeñal y las levas del motor y sobre las que giran. Así mismo también las bielas en las cabezas tienen cojinetes que reducen la fricción en el giro con árbol motor.
♦ Cigüeñal: Pieza que tiene dos extremos diferenciados. Esta pieza es el eje maestro del motor. El cigüeñal se encarga de soportar las fuerzas y presiones de las válvulas al realizar la combustión. Esta pieza empuja a los pistones que transmiten la energía al cigüeñal a través de las bielas, convirtiendo los movimientos lineales en movimientos circulares.
♦ Cilindro: Parte donde se desplaza el pistón, produce el movimiento dentro de la funcionalidad de un motor.
♦ Biela: Pieza diseñada para conectar el pistón y el cigüeñal. Tiene que soportar grandes esfuerzos, por lo que requiere de una alta lubricación. La función de la biela es transmitir la presión generada por los gases sobre el pistón al cigüeñal.
♦ Pistones: Elemento donde se conectan la biela y en su conjunto al cigüeñal y a través de una actividad rotatoria todos los pistones son dispuestos en la misma barra sobre un eje actúan ocasionando movimiento.
♦ Árbol de levas: Mecanismo que se de la apertura y cierre de las válvuas.
♦ Válvula: Mecanismo que se encarga de abrir y cerrar los conductos de admisión y escape de los gases. Proporcionando la apertura o cierre del cilindro dependiendo del tiempo.
♦ Poleas: Dispositivo que a partir de la rotación sobre un mismo eje toma inercia proporcionando energía y movimiento.
♦ Cárter: Dispositivo que actúa como tapa de la parte inferior del motor, esta contiene el aceite que permite engrasar el mecanismo, al igual que protege los diferentes elementos entre sí.
♦ Bujía: Pieza que actúa como prendedor a partir de un destello (chispa), que en contacto con el gas inflamable, da lugar a la combustión que pone en marcha el encendido del motor.
♦ Cojinetes: Piezas que soportan el cigüeñal y las levas del motor y sobre las que giran. Así mismo también las bielas en las cabezas tienen cojinetes que reducen la fricción en el giro con árbol motor.
♦ Cigüeñal: Pieza que tiene dos extremos diferenciados. Esta pieza es el eje maestro del motor. El cigüeñal se encarga de soportar las fuerzas y presiones de las válvulas al realizar la combustión. Esta pieza empuja a los pistones que transmiten la energía al cigüeñal a través de las bielas, convirtiendo los movimientos lineales en movimientos circulares.
♦ Cilindro: Parte donde se desplaza el pistón, produce el movimiento dentro de la funcionalidad de un motor.
♦ Biela: Pieza diseñada para conectar el pistón y el cigüeñal. Tiene que soportar grandes esfuerzos, por lo que requiere de una alta lubricación. La función de la biela es transmitir la presión generada por los gases sobre el pistón al cigüeñal.
♦ Pistones: Elemento donde se conectan la biela y en su conjunto al cigüeñal y a través de una actividad rotatoria todos los pistones son dispuestos en la misma barra sobre un eje actúan ocasionando movimiento.
♦ Árbol de levas: Mecanismo que se de la apertura y cierre de las válvuas.
♦ Válvula: Mecanismo que se encarga de abrir y cerrar los conductos de admisión y escape de los gases. Proporcionando la apertura o cierre del cilindro dependiendo del tiempo.
Turbina de vapor
Una turbina de vapor es una máquina de combustión externa, dado que la combustión se produce en la parte externa de la turbina, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Las turbinas de esta naturaleza se suelen utilizar en distintos ciclos de potencia que emplean un fluido que tiene la propiedad de cambiar de fase. Las turbias normalmente emplean el vapor proveniente de una caldera que ha sido elevado a una temperatura y presión determinada. Las turbinas suelen ir acopladas a un generador y a partir de la energía mecánica de la turbina, se genera energía eléctrica. Para explicar el funcionamiento de un turbina de vapor vamos a distinguir diferentes fases:
♦ El vapor se obtiene a partir de una caldera, que calentará el agua hasta hervirla. Cabe destacar que la caldera no forma parte de la estructura de la turbina, sino que se encuentra situada en una fase previa del circuito. Para poder calentar el agua se usa principalmente como materias primas petróleo, gas, carbón o uranio.
♦ El vapor generado se encuentra a una temperatura y presión y circula hasta la turbina en unos tubos conocidos como toberas.
♦ El vapor a llegar a las turbinas golpea los álabes (paletas) y hace girar la turbina y el eje de esta (rotor). Si la turbina se encuentra unido a un generador o dínamo se podrá transforma la energía cinética de la turbina en energía eléctrica.
Este proceso se vasa en el ciclo de Rankine.
♦ El vapor generado se encuentra a una temperatura y presión y circula hasta la turbina en unos tubos conocidos como toberas.
♦ El vapor a llegar a las turbinas golpea los álabes (paletas) y hace girar la turbina y el eje de esta (rotor). Si la turbina se encuentra unido a un generador o dínamo se podrá transforma la energía cinética de la turbina en energía eléctrica.
Este proceso se vasa en el ciclo de Rankine.
En la turbina de vapor, podemos distinguir diferentes partes:
♦ Sistema de admisión: Válvulas que se controlan el caudal de vapor, que entra ne la turbina. Estas válvulas son pilotas por un sistema hidráulico (presión del aceite) o bien nuemáticamente.
♦ Rotor: Pieza que conforma la parte móvil de la turbina que esta formada por ruedas de álabes unidas al eje.
♦ Álabes: Piezas de acero inoxidable, diseñadas con la curvatura y ángulo atendiendo a las velocidades de trabajo. Se colocan alrededor del rotor y carcasa, fijados por un pequeño seguro en forma de perno.
♦ Carcasa: Se divide en dos partes (superior e inferior). Contiene las coronas de toberas y álabes. Las carcasas son fabricadas de hierro o acero, dependiendo de la temperatura de trabajo.
♦ Escape de la turbina: Parte posterior de la turbina y es donde se lleva el vapor hacia el condensador, una vez que el gas sale de la máquina.
♦ Áreas de extracción: Zona donde el vapor se extrae o se inyecta.
♦ Cierres laberínticos de vapor:
♦ Reductor: Componente de la turbina que se encarga de controlar la velocidad de giro de la turbina. Es decir, cuando esta supera las revoluciones de trabajo, el reductor se encarga de reducir la velocidad.
♦ Generador: Componente que transforma la energía cinética de la turbina en energía eléctrica.
♦ Rotor: Pieza que conforma la parte móvil de la turbina que esta formada por ruedas de álabes unidas al eje.
♦ Álabes: Piezas de acero inoxidable, diseñadas con la curvatura y ángulo atendiendo a las velocidades de trabajo. Se colocan alrededor del rotor y carcasa, fijados por un pequeño seguro en forma de perno.
♦ Carcasa: Se divide en dos partes (superior e inferior). Contiene las coronas de toberas y álabes. Las carcasas son fabricadas de hierro o acero, dependiendo de la temperatura de trabajo.
♦ Escape de la turbina: Parte posterior de la turbina y es donde se lleva el vapor hacia el condensador, una vez que el gas sale de la máquina.
♦ Áreas de extracción: Zona donde el vapor se extrae o se inyecta.
♦ Cierres laberínticos de vapor:
♦ Reductor: Componente de la turbina que se encarga de controlar la velocidad de giro de la turbina. Es decir, cuando esta supera las revoluciones de trabajo, el reductor se encarga de reducir la velocidad.
♦ Generador: Componente que transforma la energía cinética de la turbina en energía eléctrica.
Clasificación de los motores térmicos
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