Principios de Máquinas Frigoríficas y Motores Térmicos: Turbinas y Ciclos

Máquina Frigorífica: Principios y Componentes Esenciales

Una máquina frigorífica sirve para enfriar o calentar un espacio o fluido. Es importante destacar que no es un motor, ya que en vez de generar trabajo, lo consume para su funcionamiento.

Componentes Principales de una Máquina Frigorífica

• Compresor: Su función es comprimir el fluido de trabajo (refrigerante) que se utilizará para transportar calor. Este fluido puede ser aire o, más comúnmente, fluidos criogénicos.
• Condensador: Es un intercambiador de calor donde el fluido refrigerante cede calor al ambiente exterior y cambia de estado (se condensa).
• Estrangulador (o Válvula de Expansión): Sirve para reducir drásticamente la presión del fluido refrigerante, lo que provoca una disminución significativa de su temperatura.
• Evaporador: Otro intercambiador de calor donde el fluido refrigerante absorbe calor del espacio o sustancia que se desea enfriar, cambiando de estado (se evapora).

Funcionamiento General de una Máquina Frigorífica

El proceso comienza cuando el fluido refrigerante, al ser comprimido por el compresor, eleva su temperatura y presión. Posteriormente, este fluido caliente y a alta presión se dirige al condensador. Aquí, el fluido está más caliente que la temperatura ambiente, por lo que cede calor al exterior y se condensa, transformándose en líquido (a menos que se utilice aire como fluido de trabajo).

A continuación, el fluido condensado pasa por un estrangulador. Debido a la reducción de la sección del conducto, la presión del fluido disminuye drásticamente, lo que provoca una caída considerable de su temperatura, situándola por debajo de la del foco frío (el espacio a enfriar). Finalmente, el fluido llega al evaporador. En este punto, el refrigerante absorbe calor del foco frío, lo que hace que su temperatura aumente y se evapore, volviendo al estado gaseoso. Con esto, el ciclo se completa y el proceso vuelve a empezar.

Fluidos Criogénicos en Refrigeración

Los fluidos más utilizados en máquinas frigoríficas son los criogénicos. Cuando estos fluidos se comprimen, su temperatura sube y salen del compresor en forma de gas a alta presión. Al llegar al condensador, bajan su temperatura y se licúan. Después, al pasar por el estrangulador, el líquido refrigerante se enfría aún más. En el evaporador, este líquido frío absorbe calor del ambiente a enfriar (foco frío), lo que provoca que su temperatura suba y se convierta nuevamente en gas, reiniciando el ciclo.

Clasificación de Motores Térmicos: Tipos y Características

Los motores térmicos se clasifican principalmente según el lugar donde se produce la combustión del combustible.

Motores de Combustión Externa

En estos motores, la combustión del combustible se realiza fuera del cilindro o de la cámara de trabajo. Suelen ser más grandes y, a menudo, producen vapor como fluido de trabajo.

Máquina de Vapor: Funcionamiento Detallado

Un ejemplo clásico es la máquina de vapor. En ella, el volante de inercia, que tiene un peso considerable, desacelera los movimientos para que no sean demasiado bruscos. Este sistema cuenta con dos puntos excéntricos sujetos a unas bielas que transforman el movimiento circular en lineal. Este movimiento se comunica a unas crucetas que llegan a un pistón de doble cámara. El cilindro dispone de una entrada y una salida de vapor, accionadas por una válvula corredera, que controlan el flujo del vapor para mover el pistón.

Turbina de Combustión Externa

Las turbinas también pueden ser de combustión externa (rotativas). En ellas, el vapor generado externamente impulsa los álabes.

Componentes Clave de una Turbina

• Tobera: Es un conducto estrecho por el que pasa el vapor a alta velocidad para impactar contra los álabes.
• Difusor: Un conducto de sección variable en el que la velocidad del fluido disminuye y, consecuentemente, aumenta su presión.
• Álabe: Cada una de las paletas o aspas de la turbina que recibe el impulso del fluido (vapor o gas) y lo transforma en movimiento rotatorio.

Motores de Combustión Interna

En estos motores, la combustión del combustible se produce dentro de la cámara de trabajo (cilindro). Presentan pérdidas menores y suelen ser más robustos.

Tipos de Motores de Combustión Interna

• Motores Alternativos: Generan un movimiento lineal de vaivén (ej. motores de pistón de automóviles).
• Motores Rotativos: Producen un movimiento de giro continuo (ej. motores Wankel, turbinas de gas).
• Motores de Chorro: Generan un efecto de empuje mediante la expulsión de gases a alta velocidad (ej. motores a reacción).

Turbina de Gas: Componentes y Operación

Las turbinas de gas son un tipo de motor rotativo de combustión interna, ampliamente utilizadas en la generación de energía y propulsión.

Estructura y Elementos Clave

Una turbina de gas se compone principalmente de un único eje al cual están sujetos el compresor (encargado de comprimir el aire de entrada) y la turbina (que recibe los gases calientes y gira). También incorporan un motor de arranque que, una vez que la turbina ha alcanzado la velocidad de operación, se desacopla y no se vuelve a usar.

La cámara de combustión es un componente vital que contiene quemadores. En ella, se inyecta combustible y se genera una explosión controlada, lo que aumenta significativamente la presión y la temperatura de los gases.

Proceso de Funcionamiento de una Turbina de Gas

El funcionamiento se inicia cuando una gran cantidad de aire del ambiente es aspirada y los álabes del compresor lo comprimen, elevando su presión. Una parte de este aire comprimido se dirige directamente a la turbina, mientras que el resto fluye hacia la cámara de combustión. Allí, unos inyectores pulverizan combustible (como gas natural o queroseno) que, al mezclarse con el aire y encenderse, provoca una explosión. Esta combustión eleva drásticamente la presión y la temperatura de los gases.

Estos gases calientes y a alta presión son expulsados a gran velocidad hacia los álabes de la turbina, haciéndola girar. Este movimiento rotatorio de la turbina, a su vez, acciona el compresor y puede generar electricidad o propulsión.

Aplicaciones: Centrales de Ciclo Combinado

Las turbinas de gas son fundamentales en las centrales de ciclo combinado. En estas instalaciones, el gas caliente que sale de la turbina de gas no se libera directamente a la atmósfera, sino que se aprovecha. Se pasa por intercambiadores de calor que calientan agua, generando vapor. Este vapor, a su vez, se utiliza para mover una turbina de vapor adicional, que también genera electricidad, aumentando así la eficiencia global de la planta.