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CICLOS TÉRMICOS . CICLO DE CARNOT. Procesos reversibles e irreversibles.
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CICLOS TÉRMICOS . CICLO DE CARNOT Procesos reversibles e irreversibles Un proceso es reversible cuando con un cambio muy pequeño en el ambiente podemos hacer que recorra su trayectoria a la inversa. Este hecho en la práctica es imposible ya que todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles: las personas crecen pero no se puede ir hacía atrás. Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura el más cliente se enfría y el de menos temperatura se calienta. Afirmamos que una transformación termodinámica es reversible cuando, en cada momento de la transformación, las temperaturas y presiones se encuentran en equilibrio, de modo que una pequeña variación de éstas variables determina el sentido de la transformación. De esta definición deducimos que: a) Puede invertirse el sentido de una transformación reversible por una variación infinitamente pequeña de los parámetros que la definen. b) Supuesta una transformación reversible de un estado de presión y temperatura A a un estado B, siempre se puede suponer la transformación inversa de B a A, pasando exactamente por los mismos estados que la primera.
El trabajo se obtiene como el área bajo la curva en una gráfica pV. El trabajo depende del camino seguido y no solamente de los estados inicial y final. En la gráfica se pueden ver tres caminos distintos (iaf), (ibf) y (if), en cada caso el área es diferente. Cuando el estado inicial y final coinciden, se dice que la transformación o proceso es cerrado (ciclo). Si el estado inicial y final son diferentes se dice que es abierto. Nuestro sistema debe regresar a su estado inicial para que, repitiendo la serie de transformaciones pueda llegar a producir trabajo. Ha de realizar un ciclo. Motor térmico. Máquina frigorífica. Par que se pueda producir un trabajo neto, la máquina térmica que diseñemos ha de funcionar entre dos focos de calor, uno caliente, del que extraeremos calor Qc y otro frío que recibe calor Qf. La diferencia Qc - Qf será el trabajo realizado. El sistema donde se realiza este proceso se llama motor térmico. En caso contrario nuestra máquina térmica debería consumir trabajo, recibe el nombre de máquina frigorífica.
Motor térmico Máquina frigorífica La máquina frigorífica se puede considerar como un motor térmico que funciona en sentido inverso
Ciclo de Carnot. • En un motor térmico existe un intercambio de calor del foco caliente al frío, cuanto menor sea este intercambio, más cantidad de calor se transforma en trabajo. • Carnot abordo el problema del rendimiento del motor térmico sobre los siguientes hechos: • Al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada. • El calor realiza trabajo mecánico. • El motor cede calor a temperatura inferior. • Así obtuvo la expresión del rendimiento máximo de un motor térmico, independientemente del diseño que sirve para cualquier máquina térmica. Las temperaturas se expresan en grados Kelvin. El rendimiento del ciclo de Carnot depende únicamente de las temperaturas del foco frío y del foco caliente.
MOTORES TÉRMICOS . CLASIFICACIÓN • Un motor térmico es una máquina que transforma la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. • Los mototes que utilizan la energía térmica procedente de los combustibles son los motores de combustión. • En función del lugar donde se realiza la combustión se clasifican en: • Motores de combustión externa. En ellos el calor producido por la quema del combustible, se trasmite a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Ejemplo: máquinas de vapor y turbinas de vapor. • Motores de combustión interna. En ellos la combustión se produce en una cámara interna del propio motor, y son los gases generados los que causan directamente, por explosión, el movimiento de los mecanismos del motor. Ejemplo: motores de explosión y diesel. • Otra clasificación será en función de la forma en que se obtiene la energía mecánica. • -Motores alternativos, en ellos el fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.
-Motores alternativos, en los que el fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas. -Motores de chorro, en los que el fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción. Motor de combustión interna alternativo Motor de combustión interna rotativo
MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA. MÁQUINAS MOTRICES DE VAPOR Las máquinas motrices de vapor fueron los primeros ingenios capaces de transformar de manera práctica la energía térmica de los combustibles en energía mecánica. En su variante de turbina se emplean en las centrales térmicas y nucleares. El agua que proviene de la bomba entra en la caldera en su fase líquida, a alta presión y temperatura cercana a la del ambiente. En la caldera el agua absorbe el calor producido en la combustión, eleva su temperatura hasta la ebullición y se obtiene así un vapor. El vapor entra en los cilindros o en la turbina que producen la energía mecánica. Cuando el vapor ha perdido su energía, pasa al condensador, donde va bajando su temperatura y vuelve al estado líquido. Después el vapor ya licuado va a la bomba donde se eleva su presión antes de entrar de nuevo en la bomba.
Motor alternativo de combustión externa Una máquina de vapor consta de un cilindro que tiene en su interior un émbolo o pistón que lo divide en dos zonas. El cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega de la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema biela-manivela del que forma parte un volante de inercia. Por encima del cilindro se desplaza un distribuidor que está unido al volante con dirección de movimiento opuesto al del émbolo. Con ello se consigue el movimiento alternativo continuo.
Motor rotativo de combustión externa. Turbina Aquí el vapor se expansiona en una turbina, pasa a través de unas toberas en las cuales pierde presión y gana velocidad, a la vez que se orienta el flujo de manera que incida tangencialmente sobre la turbina. La turbina está formada por un rodete que tiene insertados un conjunto de álabes que absorben la energía produciendo la rotación del eje. Las turbinas de vapor se utilizan en centrales de producción de la energía eléctrica y en la propulsión de buques. Ciclo de un motor de combustión externa Para calcular el rendimiento empleamos la fórmula: Siendo Tbm y Tam las temperaturas medias del foco caliente y frió. Habitualmente se realizan modificaciones con objeto de mejorar el rendimiento global de la instalación. Las más importantes son: -Recalentamiento del vapor de salida de la turbina. -Precalentamiento del agua a la entrada de la caldera mediante la extracción de una parte del vapor antes de su total expansión.
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Motores rotativos. Turbina de gas Analizamos aquellos motores en que la expansión de los gases procedentes de la combustión actúa sobre una turbina. La de la figura es de tipo axial. • Los principales elementos son: • Compresor. Comprime el aire transformando la energía cinética del aire en energía de presión. • Cámara de combustión. Lugar donde llega el aire comprimido, al que se le inyecta combustible pulverizado mediante los inyectores. Los gases de la combustión son lanzados contra los álabes de la turbina a través de las toberas que transforman la energía de presión en cinética.
-Turbina. El (gas) que es una mezcla de aire con productos de la combustión es recibido por los álabes del rotor y pierde su energía cinética para transformarla en mecánica, que a su vez es aprovechada para mover el propio compresor. Rendimiento de la turbina de gas. El rendimiento teórico de una turbina de gas de ciclo abierto depende de la presión de entrada (alrededor de 1 bar) y la de salida del compresor donde rp es la relación de presiones del aire saliente y del aire entrante rp= p2 / p1, y γes el exponente adiabático (1,4 para el gas ideal). La expresión es: Motores de combustión interna alternativos. Transforman la energía térmica en energía mecánica mediante pistones, deslizándose con movimiento lineal por cilindros. En el cilindro se desliza el pistón con movimiento alternativo. El pistón con forma de baso invertido, está unido a la biela mediante un bulón. La biela trasmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal , el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, trasformando el movimiento lineal en rotativo.
La entrada del fluido de trabajo y la salida de los gases de combustión se realiza por las válvulas de admisión y escape, el movimiento de apertura y cierre de estas está controlado por unos dispositivos mecánicos sincronizados es lo que se denomina distribución. La distribución parte del árbol de levas, conducido por el cigüeñal. El giro de las levas se transforma en movimiento lineal que actúa sobre el vástago de las válvulas.
Descripción del funcionamiento del motor alternativo. Ciclo de cuatro tiempos. • Primer tiempo: Admisión. El pistón al descender desde el PMS, crea un cierto vacío en el cilindro que hace que éste aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible (según sea motor de inyección o no) a través de la válvula de admisión que permanece abierta. • Segundo tiempo: Compresión. La válvula de admisión cierra cuando el pistón llega al PMI, momento en que comienza a subir comprimiendo la mezcla hasta llegar al PMS.
Tercer tiempo: Expansión. Instantes ante de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible, con aumento de la presión y temperatura. El pistón es proyectado de nuevo hacía abajo, produciéndose el trabajo. • Cuarto tiempo: Escape. Cuando el pistón llega al PMI se abre la válvula de escape, el pistón asciende y salen los gases de la combustión. Cuando ha legado al PMS la válvula de escape se cierra y se abre la de admisión. A continuación se inicia el primer tiempo. De los cuatro tiempos solo en el tercero se realiza trabajo, que es almacenado en forma de energía mecánica mediante un volante, del cual se toma la necesaria para realizar los otros tres tiempos. En la práctica las válvulas de admisión y escape pueden llevar un solape de unos 40º en que ambas están abiertas. Ciclo de dos tiempos. Se realizan dos carreras de pistón. Son motores más sencillos que no poseen válvulas de distribución. Se emplean en motocicletas. La entrada y salida de gases se realiza por unas lumbreras (orificios) que son abiertos y cerrados por el pistón en su recorrido. Ela cárter está herméticamente cerrado.
Primer tiempo. Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación, los gases se expanden hasta que el pistón abre la lumbrera de escape, evacuándose el gas. A medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter y se abre la comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra en el cilindro y termina de barrer los gases de combustión hasta la lumbrera de escape. • Segundo tiempo. El pistón comienza a subir desde el PMI, completando la fese de barrido y admisión hasta que cierra las lumbreras de admisión y escape. En este momento empieza la compresión hasta llegar al PMS. Al mismo tiempo, la lumbrera de admisión queda abierta y entra fluido en el cárter. ----- Según su forma de ignición los motores pueden ser: de encendido por chispa (gasolina) y de encendido por compresión (gasoil). En ambos tipos de motores la sobrealimentación consistente en introducir en los cilindros más aire y combustible del que admiten de forma natural, logrando aumentar la potencia.
Lubricación y refrigeración. Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto es necesaria una adecuada lubricación. Las partes más importantes a lubricar en un motor son las paredes del cilindro, las articulaciones de las bielas, los cojinetes del cigüeñal, el árbol de levas, los taqués, las válvulas, los balancines y los engranajes. La lubricación se realiza mediante un circuito a presión de aceite. El aceite se encuentra en un depósito llamado cárter. La refrigeración del motor se realiza por aire o por agua. Lubricación Refrigeración Por aire Por agua
Potencia y rendimiento. La potencia de un motor está dada por la expresión: donde; P , potencia en kW N, frecuencia de rotación (vueltas en un segundo) VT, volumen total o cilindrada del motor en litros da, densidad del aire en kg/l δ, dosado Qc, poder calorífico inferior del combustible en kJ/kg η, rendimiento • Del término rendimiento destacamos: • El rendimiento volumétrico, este tipo de rendimiento se ha mejorado al incorporar la inyección en detrimento del carburador, alcanzando un rendimiento del 95%. • El rendimiento térmico, que relaciona la potencia del motor con la potencia liberada por el combustible puesto en juego. Alcanza el 30% en los motores de encendido por bujía y el 50% en los de encendido por compresor.
El rendimiento mecánico, debido a los órganos mecánicos adyacentes al motor. En el mejor de los casos será del orden del 85-90%. • Sobrealimentación de los motores de combustión interna. Con la fórmula anterior veremos que hay varias formas de aumentar la potencia: -Aumentando N. Subiendo las vueltas que da el motor, con el inconveniente de complicar el sincronismo y empeoran otros factores. -Aumentando VT. Poniendo más cilindros o aumentando la cilindrada de cada uno. -Mejorando los rendimientos. Utilizando sistemas de inyección en los motores de encendido por compresión. Aumentado la compresión volumétrica mejoramos el rendimiento termodinámico pero necesitamos gasolinas de mayor octanaje. -Aumentando da. Comprimiendo el aire de manera que entre más en el mismo volumen. Sobrealimentación. Para conseguir esto se utilizan los turbocompresores. Aprovechando la energía de los gases de escape. La energía necesaria para el compresor la obtenemos de la turbina que recibe la energía de los gases de salida del motor. A la salida del compresor los gases además de alta presión, lo hacen alta temperatura, lo que es perjudicial para aumentar la potencia, para solucionar este problema instalamos un intercambiador de calor a la salida del compresor, que enfríe el aire antes de entrar al motor. De ahí proviene el término Turbo intercooler.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CIRCUITOS FRIGORÍFICOS La refrigeración consiste, en conseguir mantener un determinado objeto o lugar a una temperatura inferior a la del entorno que los rodea. Máquina frigorífica funcionando según un ciclo termodinámico de Carnot. En la figura se observa la evolución de un gas utilizado como fluido frigorífico el foco caliente y el foco frió en el interior de un cilindro al que alternativamente colocamos una base aislada. Se extrae calor del foco frío a temperatura Tf y lo envía al foco caliente a temperatura Tc, consumiendo una energía exterior.
El ciclo completo es: • Proceso 1-2. Compresión adiabática del gas desde Tf = T1 = T4 (la temperatura inferior) hasta Tc = T2 = T3 (la temperatura superior). El ciclo consume trabajo. • Proceso 2-3. Compresión isoterma del gas; se mantiene constante Tc = T2 = T3, mientras cede calor, Qc, al foco cliente. • Proceso 3-4. Expansión adiabática del gas desde Tc a Tf. • Proceso 4-1. Expansión interna del gas a Tf, mientras se extrae el calor, Qf, del foco fío. Esto se produce así porque la temperatura del gas es inferior a la del recinto a refrigerar.
Económicamente el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayor cantidad de calor Qf del foco fío Tf con el menor trabajo W. Se define la eficiencia (no el rendimiento) de una máquina frigorífica como: Qf → calor que se extrae del foco frío (nuestro objetivo) W → trabajo que gastamos en la compresión (para conseguir nuestro objetivo) Qc → calor que se devuelve al foco caliente. El ciclo de Carnot es ideal y en la práctica no se realiza como hemos descrito. Fundamentalmente hay dos sistemas de refrigeración: los de vapor y los de gas. En los de vapor el refrigerante se vaporiza y condensa alternativamente en los diferentes elementos del circuito. En los de gas el refrigerante permanece siempre en estado gaseoso. En general casi todos los compuestos refrigerantes son derivados del freón.
Componentes de una instalación frigorífica. • Los elementos fundamentales son: • Compresor. Se encarga de aspirar los vapores fríos del evaporador a una presión baja, y descargar estos vapores comprimidos a una mayor presión y temperatura a la entrada del condensador. • El condensador. Es un intercambiador de calor. En el condensador, el fluido refrigerante cede calor al medio ambiente exterior. • El evaporador. Es en lo esencial idéntico al condensador, su diferencia reside en los focos entre los que se efectúa el intercambio de calor. En el evaporador es el ambiente a refrigerar el que cede calor al fluido, al estar este a menos temperatura. El evaporador permite que el fluido refrigerante absorba calor a una presión constante, y a temperatura también constante del evaporador. En este proceso hay un cambio
de fase del fluido refrigerante, que pasa de gas a líquido y, como consecuencia, su presión y temperatura permanecen constantes durante el cambio de fase. • La válvula estranguladora, cumple la función de reducir la presión del líquido a la salida del condensador, a la vez que disminuye la temperatura del líquido y permite la dosificación del refrigerante. BOMBA DE CALOR. APLICACIONES Una bomba de calor es exactamente igual a una máquina frigorífica. La diferencia consiste en la intercambiabilidad de los focos frío y caliente. En invierno el foco frío es el exterior y el caliente el interior, de una vivienda. Debemos consumir trabajo para pasar calor del exterior (foco frío) al interior. En verano, el foco frío es el interior de la vivienda y el caliente el exterior. Debemos consumir trabajo para pasar el calor del interior (foco frío) al exterior. Para conseguirlo se deben intercambiar los papeles del condensador y del evaporador, para lo que se emplea una válvula de cuatro vías.
La eficiencia de la bomba de calor utilizada como calefacción es: Qc→ calor que se cede al foco caliente W ciclo = Qc – Qf , εserá siempre mayor que uno.
En la actualidad se utilizan como calefacción en invierno y sistema de refrigeración en varano (aire acondicionado reversible). También en locales que combinan piscina climatizada y sala de patinaje sobre hielo. El agua de la piscina se calienta debido al aporte de calor que recibe del condensador, que a su vez produce hielo para la pista de patinaje.
