Fundamentos de Máquinas Térmicas y Ciclos Termodinámicos Industriales

Motores de Combustión Externa

Motor Alternativo de Combustión Externa (Máquina de Vapor)

La máquina de vapor consiste en un cilindro con un émbolo en su interior. El émbolo se mueve de forma alternativa gracias al vapor de la caldera, transformando el movimiento lineal en rotatorio gracias al mecanismo de biela-manivela. Cuando la zona izquierda está en contacto con la caldera, la derecha está en contacto con el condensador.

Ciclo de un Motor de Combustión Externa (Ciclo de Rankine)

1. El líquido sale de la bomba y, a través del precalentador, sube su temperatura hasta pasar a ser líquido saturado.
2. Se calienta en la caldera hasta el estado 2, donde toda el agua es vapor saturado.
3. El motor cede energía mediante transformación adiabática, alcanzando el estado 3 a menor presión (vapor húmedo).
4. En el condensador, el vapor condensa hasta la saturación.
5. El líquido saturado se comprime adiabáticamente hasta alcanzar la presión de la caldera.

Motores de Combustión Interna

Ciclo Termodinámico de Turbina de Gas (Ciclo Brayton)

1. En el punto 1, el aire entra a temperatura y presión ambientes. En el compresor, sin intercambio de calor con el exterior, aumenta su presión y temperatura hasta el punto 2.
2. Desde el punto 2 al 3, a presión constante, el aire toma contacto con el combustible, absorbiendo calor.
3. Los gases se expanden adiabáticamente de 3 a 5, disminuyendo la presión y la temperatura, pero cediendo trabajo.
4. En la atmósfera, se cede el calor residual al ambiente.

Motores de Combustión Interna Alternativos

El pistón tiene forma de vaso invertido y está unido a la biela mediante un bulón. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal. La entrada del fluido y la salida de gases se realizan mediante válvulas de admisión y escape, situadas en la culata.

Nota: PMS (Punto Muerto Superior), PMI (Punto Muerto Inferior).

Ciclo de Cuatro Tiempos

1. Admisión

   El pistón desciende desde el PMS, creando un vacío y aspirando el aire con combustible.

2. Compresión

   La válvula de admisión se cierra al llegar el pistón al PMI, y este comienza a subir, comprimiendo la carga hasta el PMS.

3. Expansión (Explosión)

   Antes de terminar la compresión, se inflama el combustible, lo que aumenta la presión y la temperatura. El pistón es proyectado hacia abajo, produciendo trabajo.

4. Escape

   Al llegar el pistón al PMI, se abre la válvula de escape. El pistón asciende y los gases son evacuados. Al llegar al PMS, se vuelve a abrir la válvula de admisión, iniciando un nuevo ciclo.

Ciclo de Dos Tiempos

1. Primer Tiempo (Expansión y Escape)

   El pistón está en el PMS y ocurre la inflamación. Los gases se expanden. El pistón abre la lumbrera de escape, evacuando el gas. Al bajar el pistón, comprime la mezcla del cárter. Se abre la comunicación cilindro-cárter y se terminan de evacuar los gases.

2. Segundo Tiempo (Admisión y Compresión)

   El pistón comienza a subir, completando el barrido. Comienza la compresión hasta llegar al PMS, mientras que el fluido entra en el cárter.

Sistemas de Refrigeración y Bombas de Calor

Ciclo Teórico del Frigorífico (Ciclo de Compresión de Vapor)

1. El refrigerante entra en el compresor (1) como gas a baja presión, se comprime y sale como gas a alta presión.
2. El gas pasa al condensador (2). El gas se condensa, cediendo el calor latente al exterior. Esto ocurre debido a la alta presión mantenida por la válvula que controla el flujo.
3. Al atravesar la válvula de expansión (3), el fluido se expande, perdiendo presión, y se dirige al evaporador.
4. Al llegar al evaporador, absorbe calor del medio y se transforma de líquido a gas. El gas a baja presión es aspirado por el compresor y se repite el proceso.

Bomba de Calor

La bomba de calor es una máquina frigorífica capaz de aprovechar el calor cedido por el condensador para calentar un espacio. Produce un efecto frigorífico en el evaporador y un efecto calorífico en el condensador.

Condiciones de Eficiencia

Es más eficiente si:

• El foco frío está a temperatura elevada y constante.
• Se desea una fuente de calor no muy elevada.
• Se dispone de una fuente de energía para el compresor.

Componentes Principales de un Frigorífico

• Compresor

  Elemento encargado de aspirar los vapores fríos provenientes del evaporador a baja presión, y descargarlos a mayor presión y temperatura.

• Condensador

  Intercambia el calor. El fluido refrigerante cede calor al medio ambiente. Pueden ser de aire o de agua.

• Evaporador

  El ambiente a refrigerar cede calor al fluido, ya que este se encuentra a menor temperatura. Permite que el fluido refrigerante absorba calor a presión constante. (Nota: El texto original indica que entra vapor y sale líquido saturado, lo cual es incorrecto para el ciclo estándar; el evaporador debe permitir la absorción de calor para que el líquido se convierta en vapor).

• Válvula de Expansión / Turbina

  La turbina (o más comúnmente, la válvula de expansión) reduce la presión del líquido tras el condensador.