Fundamentos de la Conversión Energética: Motores Térmicos y Eléctricos
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Motores de Combustión Externa (MCE)
Uno de los ingenios capaces de transformar la energía calorífica en energía térmica fueron las máquinas de vapor. Estas, en su versión alternativa, han sido durante mucho tiempo los únicos motores térmicos disponibles y desempeñaron un papel clave en la Revolución Industrial.
La Máquina de Vapor Alternativa
Una máquina de vapor consiste en un cilindro que tiene en su interior un émbolo o pistón que divide el cilindro en dos zonas. El pistón se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema de biela-manivela, del que forma parte un volante de inercia.
Cuando la zona izquierda está en comunicación con la caldera, la zona derecha lo está con el condensador, y viceversa. Con ello se consigue el movimiento alternativo continuo. Actualmente, las turbinas de vapor son ampliamente usadas en las grandes centrales de producción de energía eléctrica.
Motores de Combustión Interna Alternativos (MCI)
Un motor alternativo es el que transforma energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones deslizándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros.
Componentes y Funcionamiento
El pistón se desliza con movimiento alternativo. Para conseguir el cierre hermético entre cilindro y pistón, este está provisto de tres segmentos colocados en unas ranuras en su parte superior. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal, transformando el movimiento lineal en rotativo. La entrada y salida de fluidos se realizan por las válvulas de admisión y escape.
Clasificación por Encendido
Los motores de combustión interna se clasifican en:
- Motores de encendido por chispa: El encendido se produce mediante una chispa (bujía).
- Motores de encendido por compresión: El aire comprimido eleva su temperatura hasta que el combustible se inflama directamente.
Motor de Dos Tiempos
El ciclo de dos tiempos se realiza en dos carreras de pistón. No posee válvulas ni distribución. La entrada y salida de gases se realiza por unos orificios situados en la pared del cilindro que son descubiertos y cerrados por el propio pistón.
Primer Tiempo (PMS)
El pistón está en el Punto Muerto Superior (PMS) y el tiempo se compone por expansión y escape.
Segundo Tiempo (PMI)
El pistón está en el Punto Muerto Inferior (PMI) y el tiempo se compone por admisión-compresión y combustión.
Ciclos Termodinámicos
Ciclo Otto (Encendido por Chispa)
Los procesos del Ciclo Otto son:
- Tramo 0-1: Admisión
- Tramo 1-2: Compresión adiabática
- Tramo 2-3: Explosión
- Tramo 3-4: Expansión adiabática
- Tramo 4-1: Escape de gases
- Tramo 1-0: Expulsión de gases
Ciclo Diésel (Encendido por Compresión)
Los procesos del Ciclo Diésel son:
- Tramo 0-1: Admisión
- Tramo 1-2: Compresión adiabática
- Tramo 2-3: Absorción de calor
- Tramo 3-4: Expansión adiabática
- Tramo 4-1: Cesión de calor
- Tramo 1-0: Expulsión de gases
Sistemas Auxiliares del Motor
Lubricación
Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto, si no existiera lubricación, el material se desgastaría rápidamente por su excesivo calor. La lubricación se realiza mediante un circuito de aceite a presión. El aceite se halla en un depósito (el cárter), la bomba lo recoge allí y es distribuido a todas las piezas.
Refrigeración
La refrigeración del motor se realiza por aire o agua:
- Refrigeración por aire: Se utiliza generalmente en motores pequeños.
- Refrigeración por agua: Los cilindros y la culata están rodeados de tubos con agua. Esta, al calentarse, va al radiador para refrigerarse y vuelve al motor.
Motores de Corriente Continua (CC)
Principios Fundamentales
Los motores de corriente continua se basan en los principios de la fuerza electromagnética y la fuerza electromotriz inducida.
Componentes Principales
Los motores constan de un inductor y un inducido:
Inductor
Su misión es crear un campo magnético y se encuentra en una parte fija del motor (el estátor). Está formado por bobinas de hilo de cobre colocadas alrededor de un material ferromagnético.
Inducido
Crea campos magnéticos que se oponen a los del motor. Lo forman conductores de cobre en forma de bobina, alojados en ranuras de material ferromagnético. Está sujeto a un eje de giro del motor y es la parte móvil de la máquina (el rotor).
Los principios y finales de las distintas bobinas están conectados a un colector de delgas que gira con el eje. Para inducir la corriente en los conductores del inducido se usan escobillas que conectan el circuito exterior e interior de la máquina.