Ciclo Termodinámico y Eficiencia: Funcionamiento del Motor 4T, Máquinas Frigoríficas y Bombas de Calor

Principios de Funcionamiento de Motores y Sistemas Termodinámicos

El Motor de Cuatro Tiempos (4T)

El funcionamiento de un motor de cuatro tiempos se describe a través de las siguientes fases:

1. 1.º Tiempo (0-1): Admisión. El pistón desciende y se absorbe aire en el cilindro.
2. 2.º Tiempo (1-2): Compresión. El pistón sube hasta el Punto Muerto Superior (PMS) y comprime el aire de forma adiabática, alcanzando presiones de 40-50 atmósferas y temperaturas de hasta 600 °C.
3. 3.º Tiempo (2-3 y 3-4): Inyección, Combustión y Expansión. Se introduce gasóleo a presión en el cilindro de forma controlada. La mezcla se inflama a presión constante, produciéndose el descenso del pistón (2-3). El gas se expande de forma adiabática (3-4). En este tiempo, el motor realiza trabajo, el cual viene dado por el área encerrada en el diagrama P-V.
4. 4.º Tiempo (4-1 y 1-0): Escape. Al llegar el pistón al Punto Muerto Inferior (PMI), se abre la válvula de escape y la presión desciende bruscamente hasta la presión atmosférica (4-1). A continuación, el pistón sube barriendo los gases, que se evacuan por la válvula de escape (1-0).

Definiciones Clave del Motor

• PMS (Punto Muerto Superior): Posición del pistón que corresponde al mínimo volumen de la cámara de combustión.
• PMI (Punto Muerto Inferior): Posición del pistón que corresponde al máximo volumen de la cámara de combustión.
• Cilindrada Unitaria y Carrera: Volumen que barre el pistón durante su desplazamiento (carrera) entre el Punto Muerto Superior (PMS) y el Punto Muerto Inferior (PMI).

Máquinas Frigoríficas (MF) y Bombas de Calor (BC)

Funcionamiento de una Máquina Frigorífica (MF)

La Máquina Frigorífica transfiere energía térmica desde una región de bajas temperaturas (foco frío) hasta otras de altas temperaturas (foco caliente), gracias al trabajo aportado desde el exterior, generalmente por un motor eléctrico.

El Evaporador en una MF

El evaporador actúa como foco frío de la máquina. En él se vaporiza casi en su totalidad el fluido refrigerante a presión constante, absorbiendo una cantidad de calor $Q_2$ del recinto que se desea enfriar. En invierno, el evaporador está situado en el exterior, ya que debe extraer el calor del foco frío para introducirlo en el interior (operación de Bomba de Calor).

Eficiencia y Diferencias entre MF y BC

Se define la eficiencia ($E$) de una Máquina Frigorífica como la relación entre el calor extraído ($Q_2$) y el trabajo aportado ($W$):

$E_{MF} = Q_2 / W$ y su diagrama.

La principal diferencia entre MF y BC es su objetivo:

• El objetivo de la Máquina Frigorífica es extraer calor de un foco frío.
• El objetivo de la Bomba de Calor es ceder calor al foco caliente.

Eficiencia de la Bomba de Calor (BC)

En la Bomba de Calor, lo que interesa es que la cantidad de calor $Q_1$ cedido al foco caliente sea máxima.

$E_{BC} = Q_1 / W$

Funcionamiento de una Bomba de Calor Reversible

Para que una Bomba de Calor sea reversible, solo es necesario dotar al equipo de una válvula reversible que permita intercambiar, según convenga, las funciones del evaporador y del condensador.

Cuando se desea calentar un recinto determinado en invierno, el intercambiador situado en el interior del recinto deberá actuar como condensador. Mientras que en verano, dicho intercambiador actuará como evaporador y la instalación se comportará como Máquina Frigorífica. De esta manera se consigue dotar al sistema de confort.

Conceptos de Energía Térmica

Caloría y Frigoría

• Caloría (cal): Es la unidad de energía equivalente al calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C hasta 15,5 °C a una atmósfera de presión. Equivale a 4,18 Julios (J).
• Frigoría: Es la cantidad de calor que se debe sustraer a 1 kilogramo de agua a 15 °C para disminuir su temperatura en 1 °C. Es decir, una kilocaloría negativa (-4,19 kJ).

Influencia de la Diferencia de Temperatura

Cómo influye la diferencia de temperatura entre foco frío y caliente en la Máquina Frigorífica (MF).