Ciclos Termodinámicos en Motores de Combustión Interna y Externa

Ciclos Termodinámicos

Motor Alternativo de Combustión Interna

1. Transformación M-a: Admisión Isobárica

• Corresponde a la admisión.
• Primera carrera del pistón de PMS a PMI.
• El fluido termodinámico pasa a ocupar el máximo volumen.
• Al estar la válvula abierta, el cilindro está conectado con el exterior, por lo que la presión es constante e igual a la atmosférica.

2. Transformación A-B: Compresión Adiabática

• Corresponde a la compresión.
• Carrera del pistón de PMI a PMS.
• Idealmente, esta compresión se realiza sin intercambio de calor.

3. Transformación B-C

• Instante en el que el fluido toma energía térmica.
• Es diferente en el ciclo de gasolina y en el diésel.
• En el de gasolina es isocórica y en el diésel isobárica.

4. Explosión Isocórica (Gasolina)

• Primera fase del tercer tiempo de gasolina.
• Salta la chispa y se produce la combustión instantánea de la mezcla y un aumento de la presión a volumen constante.

5. Combustión Isobárica (Diésel)

• Primera fase del tercer tiempo de diésel.
• Según se va introduciendo el combustible, se va inflamando.
• Aumenta la combustión, pero disminuye el volumen.
• Idealmente, la presión es constante.

6. Transformación C-D: Expansión Adiabática

• Segunda parte del tercer tiempo.
• El pistón es empujado hacia abajo desde el PMS al PMI.
• El cilindro realiza trabajo e, idealmente, no hay intercambio de calor.

7. Transformación D-A: Apertura de la Válvula de Escape

• Se abre la válvula y los gases salen al exterior por su propia presión.
• Idealmente, es una caída de presión instantánea hasta la atmosférica.
• El pistón no se mueve, por tanto, es isocórica.
• En esta fase, se cede calor al medio ambiente.

Motor Rotativo de Combustión Interna

Se utilizan en la industria aeronáutica y espacial. El más significativo es el turboreactor.

Componentes:

1. Difusor de admisión: Punto de entrada del aire y forma geométrica.
2. Compresor: Comprime el aire, transforma la energía mecánica en energía en forma de aire comprimido y hace que ese aire comprimido pase a la cámara de combustión.
3. Cámara de combustión: Mezcla aire y queroseno, y al quemarse los gases, sale una gran energía cinética.
4. Turbina: Transforma la energía cinética de los gases en energía mecánica.
5. Tobera de escape: Realiza el proceso inverso del difusor. Los gases aumentan su velocidad a costa de reducir su presión. Las perturbaciones deben ser mínimas.

Este motor cumple el ciclo de Brayton.

Ciclo de Brayton:

• Transformación 1-2: Compresión adiabática. Comprime los gases de entrada sin intercambio de calor, primero en el difusor y luego en el compresor.
• Transformación 2-3: Combustión isobárica. Combustión del aire con el queroseno; no aumenta la presión.
• Transformación 3-4: Expansión adiabática. Gases con una gran energía cinética, de la cual mucha se transforma en trabajo útil y otra para expulsar los gases a gran velocidad. Sin intercambio de calor.
• Transformación 4-1: Cesión de calor al exterior. Esta parte se realiza fuera y se cede calor al medio exterior a presión constante.

Motor Alternativo de Combustión Externa

El foco caliente está fuera del motor; puede ser madera, carbón, líquido... Las partes del motor no están sometidas a altas temperaturas, y la más conocida es la máquina de vapor.

Partes:

1. Caldera: Recinto donde se recibe el calor generado por la combustión y el agua se convierte en vapor.
2. Máquina: La energía contenida en el vapor se convierte en mecánica. Se convierte en energía rotativa mediante acoplamientos mecánicos.

Funcionamiento:

El vapor entra por el cilindro y empuja el resto del vapor al escape. Usa un mecanismo biela-manivela parecido al motor de cuatro tiempos. El volante acciona una válvula corredera que comunica el escape con una parte u otra del cilindro alternativamente. Utiliza el ciclo de Rankine.

Motor Rotativo de Combustión Externa

Es muy parecido al anterior, pero tiene mayor rendimiento y el vapor incide sobre los álabes de una turbina. Se utiliza en las centrales termoeléctricas.

Funcionamiento:

El agua líquida pasa a vapor a alta presión por medio de calor. El vapor se expande realizando trabajo y llega al condensador y se condensa. Una bomba aumentará la presión para que el líquido vuelva a ser calentado.

Ciclo de Rankine

• Transformación A-B: Evaporación isobárica. El agua, al pasar por la caldera, toma el calor generado en la combustión y lo convierte en vapor de agua. Idealmente, a temperatura y presión constantes.
• Transformación B-C: Expansión adiabática. El vapor pasa por los álabes de la turbina realizando trabajo útil; no hay intercambio de calor.
• Transformación C-D: Condensación isobárica. El vapor pasa por el condensador, donde cede calor al foco frío. El cambio se realiza a presión y temperatura constantes.
• Transformación D-A: Compresión isocórica. La bomba aumenta la presión del agua para llevarla a la caldera. Al ser líquido, el aumento de presión es a volumen constante.