2. B-Motor térmico- Máquina frigorífica
Una máquina térmica es un dispositivo que
trabaja de forma cíclica o continua para
producir W mientras se le da y cede calor,
aprovechando las expansiones de un gas
que sufre transformaciones de p, v y Tª.
Trabaja entre dos focos de calor, Qc, del que
extraemos calor, y Qf que recibe calor. El
W=Qc-Qf. (motor térmico).
Si consume W, es una máquina frigorífica.
c
Termico
Q
W Qc Qf
W
6.1
Frigorifico
1
W
W Qc Qf
Qf
3. El ingeniero francés Nicolas L. Sadi Carnot
fue el primero que abordó el problema
del η de un motor térmico,
prescindiendo de su funcionamiento,
llegando a la expresión:
El motor térmico tendrá mejor η cuando el
tubo que representa (Qc-Qf) sea lo
más ancho posible y el tubo que
representa el calor que cede por el
escape Qf sea lo más estrecho.
η = (Qc – Qf)/Qc = 1 – Qf/Qc
Motor térmico
2
C- Ciclo de Carnot
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/carnot.html
4. Suponemos un gas ideal y el motor funciona
entre dos focos de calor, el caliente a Tc y el frío
a Tf.
El ciclo se realiza en 4 tiempos mostrados en el
diagrama p-V de la fig.
•T1: Expansión isotérmica de M1 a M2 a la
temperatura Tc=T1=T2 (ºK). El W exterior
realizado será el área:
W1 = Qc = nRTc lnV2/V1
•T2: Expansión adiabática hasta la siguiente
isoterma Tf=T3=T4, no hay intercambio de Q con
el exterior y la ecuación de estado es:
T γ-1 γ-1
2/T3 = (V3/V2) o Tc/Tf = (V3/V2)
3
5. •T3: Compresión isoterma a Tf cediendo al
foco frío una cantidad de Qf, con un
consumo de W exterior:
W2 = Qf =nRTf ln V3/V4
•T4: Compresión adiabática de T4=Tf a
T1=Tc finalizando el ciclo. La ecuación de
estado es:
T γ-1 γ-1
1/T4 = (V4/V1) o Tc/Tf = (V4/V1)
Comparando T2 y T4 se puede establecer la
relación de volúmenes:
Tc/Tf = (V3/V2)γ-1
= (V4/V1)γ-1
→ V3/V2 = V4/V1 → V3/V4 = V2/V1
4
6. Sustituyendo en la ecuación del rendimiento:
5
El η del ciclo de Carnot depende únicamente de las
temperaturas del foco frío (Tf) y del caliente (Tc).
Para que tenga validez general, cualquier motor
térmico que tenga un ciclo reversible entre los
mismos focos de calor, tiene el mismo η.
η = 1 – (Qf/Qc) = 1 – (nRTf ln V3/V4)/(nRTc lnV2/V1) = 1 - Tf/Tc
7. Suponiendo entre dos focos (Tc>Tf) un motor de
Carnot (C) y otra máquina reversible (X). La
máquina C intercambia calores Qc y Qf, y la otra X,
qc y qf; hacemos que Qc=qc.
Como el ciclo de Carnot es reversible, ahora
funciona como frigorífico, la máquina C cede calor
Qc al foco caliente y la máquina X absorbe calor qc =
Qc del foco caliente; es como si el foco caliente no
interviene en el proceso y directamente la máquina
X absorbe el calor de la máquina de C.
El W neto no puede ser positivo w-W≤0 →w≤W
Para producir W hacen falta dos focos de calor, Qc y
Qf ,o lo que es lo mismo: el calor va del foco caliente
al foco frío (excepto si es un frigorífico)
6
8. Al ser Qc = qc, resulta:
w ≤ W → w/qc = W/Qc → (qc – qf)/qc = (Qc – Qf)/Qc→
1 – qf /qc ≤ 1 - Qf/Qc
El rendimiento de la otra máquina no puede ser
superior a la de Carnot.
El signo = máquina reversible.
El signo < máquina irreversible.
7
9. Clasificación de los motores térmicos
8
1. En función de donde se produce la combustión:
a) Combustión externa: el calor se transmite a un fluido
intermedio (vapor) y éste produce la energía mecánica
en una máquina alternativa o rotativa. (máquina y
turbina de vapor).
b) Combustión interna: el calor se produce en la cámara
interna del motor y, son los gases, los que producen la
energía mecánica. (motor explosión y diesel, turbina de
gas, turbohélice, etc.)
6.2
Un motor térmico tiene como misión transformar energía
térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable
para producir trabajo.
10. 9
2. En función de cómo se obtiene la energía
mecánica:
a) Motores alternativos: el fluido actúa sobre pistones alternativos.
b) Motores rotativos: el fluido actúa sobre pistones rotantes o
turbinas.
c) Motores de chorro: el fluido produce el empuje por el principio de
acción y reacción.
a) b) c)
11. A – Motor alternativo de combustión externa6.3
10
Funcionamiento máq. de vapor:
•El cilindro se mueve de forma
alternativa por el vapor de la caldera,
transformando el movimiento lineal
en rotativo por la biela-manivela.
•El distribuidor, unido al volante, y de
sentido opuesto al émbolo, permite
que el vapor entre o salga del cilindro
y produciéndose el movimiento
alternativo continuo.
Maquina vapor
12. B – Motor rotativo de combustión externa
Funcionamiento turbina:
•Está formada por un rodete
donde se insertan los álabes
(paletas).
•El vapor pasa por unas toberas,
pierde presión y gana velocidad.
•El vapor choca con el álabe y
debido a su forma, se produce el
giro del mismo.
Turbina
11
Perfil de álabe
13. •El líquido sale de la bomba (5), se precalienta a
presión cte en la caldera hasta la saturación (1).
•Se calienta en la caldera hasta vapor saturado
(2).
•Cede el calor al motor (adiabática) (3) a menor
presión (condensador).
•Aquí, el vapor húmedo condensa hasta la
saturación (4).
•Se comprime de pa hasta pb, con un ligero
aumento de Tª (T5-T4). Por eso, el η es:
C – Ciclo del motor de combustión externa
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/rankine.html
12
14. A – Motor rotativo. Turbina de gas
Elementos:
•Compresor, pueden ser axial o
radial, comprimen el aire
convirtiendo la Ec del aire en E de
presión.
•Cámara de combustión, se
inyecta combustible y se lanza el
aire caliente a las toberas donde
obtenemos Ec.
•Turbina, el “gas” con su Ec se
lanza contra los álabes y se
convierte en E mecánica que
mueve el compresor y alternador.
6.4
13
15. B – Ciclo termodinámico Turbina de gas
Se llama ciclo de Brayton o
Joule:
• 1-2: entra aire a p1 y T1
ambiente, se comprime
adiabaticamente a p2 y T2.
• 2-3: p=cte, el aire eleva la T3
al quemar el combustible,
absorbe Q1=mcp(T3-T2).
• 3-4: expansión adiabática
descendiendo a T4 y p1,
cediendo W turbina.
• 4-5: p=cte, los gases ceden
calor atmósfera, T4 desciende
hasta T1, Q2=mcp(T4-T1).
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/brayton.html
2
14
3
1
p
r( 1)/
T T
1
T4 T1
1
16. C– Motores de combustión interna alternativos
Motor alternativo es el que trasforma la
energía térmica en mecánica mediante
pistones.
El pistón se desliza dentro del cilindro con
movimiento alternativo, la biela transmite el
movimiento a la manivela del cigüeñal,
transformándolo en rotativo.
Las válvulas de admisión y escape
permiten la entrada del fluido y la salida de
los gases de la combustión.
El árbol de levas acciona las válvulas en
sincronismo con el cigüeñal (distribución).
15
17. Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas):
1. Admisión: el pistón desciende
desde el PMS y entra el fluido.
2. Compresión: Se cierra la válvula
admisión y se inicia el ascenso del
pistón desde PMI al PMS.
3. Expansión: Antes de llegar al PMS
se produce la inflamación del
fluido, aumenta la p y Tª, el pistón
baja y produce W.
4. Escape: Al llegar al PMI se abre la
válvula, el pistón sube y los gases
escapan. Se inicia otro ciclo.
D- Funcionamiento motor alternativo
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/motors.html
16
18. Ciclo de 2 tiempos (1vuelta):
1. Tiempo: La explosión se produce en el PMS del pistón, los
gases se expanden y el pistón abre la lumbrera de escape. A
medida que el pistón baja, comprime la mezcla del cárter, entra
en el cilindro y termina por barrer los gases.
2. Tiempo: El pistón sube desde PMI, completando el barrido y
compresión y cerrando las lumbreras. Comienza la compresión
hasta llegar al PMS. A la vez se abre la lumbrera de admisión y
entra fluido en el cárter.
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/dos_t.html
17
19. E- Ciclos termodinámicos (Otto y Diesel)
•0-1:Admisión.
•1-2: Compresión adiabática.
•2-3: Explosión y absorción de calor a V=cte.
q2,3=qabs=mcv(T3-T2)
•3-4: Expansión adiabática del pistón.
•4-1: Escape, descenso de la Tª y brusco de
p y el calor cedido es q4,1=qced=mcv(T4-T1)
•1-0: Expulsión de gases.
q qq abs absabs
Otto
W 1
Tf
Tc
qabs qced
1
qced
T3 T2
1
T4 T1
1
18
1
c
Otto
r 1
20. •0-1: Admisión.
•1-2: Compresión adiabática,al
finalizar se llega a T=6000ºC, lo
que provoca la ignición del
combustible.
•2-3: Absorción del calor a p=cte,
debido a la combustión del
combustible inyectado.
•3-4: Expansión adiabática.
•4-1: Cesión calor por los gases a
v=cte.
•1-0:Expulsión de los gases.
v
19
v
c
Diesel
1 r 1
r (r 1)
1
1
21. Diferencia entre ciclo Otto y Diesel
El ciclo Diesel tiene mayor η y
proporciona más Wútil, según los
diagramas teóricos.
Los ciclos reales nos vienen
determinados por los diagramas
indicados.
Solamente se utiliza el 25% de la
energía del combustible.
Diagrama
20
W
Windicado
teorico
22. F- Lubricación y refrigeración
Debido al rozamiento es muy importante lubricar:
– Paredes cilindro
– Articulaciones biela y cojinetes.
– Árbol de levas, taqués, válvulas, balancines.
– Engranajes.
La refrigeración por aire (pequeños motores) o
agua, los cilindros y culata están rodeados por
agua que pasa al radiador.
21
23. G- Potencia y rendimiento
La potencia de un motor nos viene dada
por:
El η engloba matices, hay que tener en
cuenta:
• η volumétrico: (no se llena completamente
de aire) se ha mejorado (95%) inyección
gasolina.
• η térmico: Peje/Ptérmica; Gasolina (30%) y
Diesel (50%).
• η mecánico: el mejor el 85-90%.
P= kW
N= vueltas/segundo
VT=volumen total o cilindrada del
motor en l.
da= densidad aire kg/l.
δ=dosado.
Qc=poder calorífico combustible
kJ/kg.
η= rendimiento
T a c
22
2
P
N
V d Q
24. H- Sobrealimentación motores comb. interna
23
Para aumentar la P basta con aumentar:
– N (inconveniente=complicación sincronismo).
– VT más cilindrada = más consumo.
– Mejorar η (sist. Inyección, aumentando rv).
– da sobrealimentación.
Consiste en conectar el aire de admisión a mayor presión de la
atmosférica. Al entrar más cantidad de aire también podemos
quemar más combustible, aumentando la P con la misma
cilindrada.
Para ello se utilizan los turbocompresores, que obtienen la
energía de la velocidad de los gases de escape al
aplicárselos a una turbina.
26. Principios funcionamiento frigorífico
A- Ciclo de Carnot:
•1-2: Compresión adiabática
del gas desde Tf hasta Tc.
Consume W.
•2-3: Compresión isoterma,
cede calor Qc al foco caliente.
(Al comprimir el gas elevamos
la Tª por encima de la Tª del
foco caliente).
•3-4: Expansión adiabática
desde Tc a Tf.
•4-1: Expansión interna a Tf,
mientras se extrae Qf del foco
frío.
6.5
Tf
25
Qf
Tc Tf
W Qc Qf
COP
Qf
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/frigo.html
27. B- Componentes instalación frigorífica
•Compresor: aspira el vapor frío del
evaporador a baja p, convierte a mayor p y
Tª, (ideal sería adiabático pero real cede
calor y pierde η).
•Condensador: (serpentín) cede calor al
ambiente. Pasa de vapor a líquido, cambio
de fase a p y Tª=cte.
•Evaporador: absorbe calor a p y Tª=cte.
La mezcla de vapor y liquido se convierte
en vapor saturado.
•Válvula expansión: reduce la p y Tª del
líquido del condensador al evaporador.
26
28. C- Sistema refrigeración de gas
Se emplea el aire como refrigerante (aviación).
•1-2: expansión adiabática del gas en turbina
p2<p1 y produce W.
•2-3: pasa intercambiador calor a igual p,
aumenta la Tª (absorbe calor=enfría).
•3-4: compresión diabática compresor de p2 a
p1 y aumenta Tª.
•4-1: pasa enfriador a p=cte y se repite el ciclo.
p
r( 1)/
COP
1
2
27
1
p
p
pr
29. Se usan fluidos criogénicos, en c.n. son
gaseosos.
•1-2: Compresión adiabática del vapor
saturado de pa (evaporador) a pb
(condensador).Consume W.
•2-3: Cesión calor al exterior. El vapor
cambia de fase a liquido saturado (p=cte).
•3-4: La válvula de expansión hace que el
liquido a pb sale mezcla (vapor húmedo) a
pb, sin realizar W.
•4-1: Absorbe calor y aumenta el vapor a p
y Tª= cte. Toma calor para el cambio de
estado. Qced Qabs
28
COP Qabs
D- Sistema refrigeración vapor
30. Bomba de calor
r
Es igual a la máquina frigorífica pero se
intercambian los focos frío y caliente.
Invierno: el Qf es el exterior y Qc el interio
vivienda. Consumimos W para pasar el
calor del exterior al interior.
Verano: el Qf interior vivienda y Qc el
exterior. Consumimos W para pasar el
calor del interior al exterior.
Se intercambian los papeles del
condensador y del evaporador.
Como calefacción ε>1:
6.6
W
29
Qc
