Máquinas Térmicas
Introducción
Toda máquina que transforma la energía térmica en trabajo mecánico. Sus usos mas importantes son en el caso de motores de combustión interna para todo tipo de transporte y en el de grandes máquinas para centrales eléctricas y para vehículos de gran porte (buques y aviones).
Se clasifican:
Funcionamiento básico
En un cilindro hueco en cuyo interior puede deslizarse un pistón, se introduce vapor. Si éste se calienta se expande y por lo tanto el pistón subirá realizando un trabajo mecánico.
Para que el cilindro vuelva a su posición inicial se debe quitar el vapor lo que se logra a través de una válvula apropiada; a su vez es necesario volver a inyectar una nueva cantidad de vapor. En vez de inyectar el vapor frío y calentarlo en el cilindro es conveniente inyectarlo ya caliente, esa es la función de la caldera, por lo tanto el cilindro está conectando con un depósito de vapor (caldera) y su correspondiente válvula. (Válvula de salida y de entrada respectivamente).
Para evitar el uso de inmensas calderas para disponer de suficiente cantidad de vapor, se procede a recuperar el vapor que se elimina del cilindro, por ejemplo haciendo pasar el vapor por un serpentín refrigerante y el vapor ya condensado vuelve a la caldera; ese serpentín se llama condensador.
La otra ventaja es que como en su interior la presión es inferior a la presión atmosférica; al cilindro le es más fácil expulsar el vapor por el condensador que hacerlo a la atmósfera. A su vez para que el condensador pueda enfriar el vapor debe permanecer frío (se debe evitar que se caliente por el propio vapor que lo atraviesa); por lo tanto hay que calentar continuamente la caldera y enfriar continuamente el condensador, lo cual se logra haciendo pasar un líquido refrigerante por el serpentín del condensador.
Así obtenemos un movimiento continuo de vaivén; si se lo quiere transformar en un movimiento de rotación, por ejemplo para una locomotora se debe articular el eje del pistón una biela unida a un cigüeñal que e su vez se une al eje de la rueda. De esta manera transformamos el movimiento alternativo del pistón en uno de rotación.
Transformación de la Energía Calórica
A la caldera le entregamos energía calórica a través de la combustión de distintos combustibles (líquidos, sólidos, o gaseosos). Dicha energía a su vez llega al cilindro transportada por el vapor (dejando de lado las pérdidas en la transmisión) ésta energía se emplea para levantar el cilindro haciendo un trabajo mecánico, y el resto pasa al condensador sin usarse en la realización del trabajo. De esto se deduce que no toda la energía se ha aprovechado, surgiendo así el concepto de rendimiento (ɳ) de una máquina térmica. ɳ = L/Q
( Ver 2º principio )
Representación gráfica del proceso
Para estudiar lo que ocurre en una máq. de vapor dividimos el proceso físico en 4 etapas o tiempos y así los podemos representar en un diagrama P-V y obtener el ciclo correspondiente.
1ªetapa : se llama de admisión y es la entrada del vapor a alta presión en el cilindro; insume aproximadamente 3 del recorrido del pistón y ocurre a presión constante (isobara A-B).
2ª etapa: una vez cerrada la válvula de admisión comienza la expansión del vapor, si es ideal podemos admitir que es adiabática (tramo B-C).
3ª etapa: en esta ocurre la expansión del vapor abriéndose la válvula de escape, produciéndose un descenso brusco de la presión (tramo C-D), continuando luego con el barrido de los vapores restantes
(isobara D-E). Dicha válvula se cierra antes de que escapen todos los vapores es decir antes de que el pistón complete su recorrido y comience el nuevo (a éstos se los llama vapores residuales).
4ª etapa: comienza con el cierre de la válvula de escape y por lo tanto con la compresión de los vapores residuales en forma adiabática (tramo E-A) y así la máquina queda lista para recibir nuevamente vapor y comenzar el nuevo ciclo.
Esquema básico de una máquina térmica
TURBINAS
Estas máquinas térmicas han reemplazado en la actualidad a las máq. de vapor, y en muchos casos a los motores de explosión y diesel principalmente en grandes equipos, por ejemplo centrales eléctricas, barcos, plantas fabriles, aviones, trenes.
Se clasifican en turbinas de vapor que son máq. de combustión externa, y de gas que son de combustión interna.
a) Turbina de vapor
Su ppio. de funcionamiento es similar al de un molino de viento; en la periferia de una rueda acoplada a un eje hay un conjunto de paletas llamadas álabes. Sobre éstos se dirige un fuerte chorro de vapor mediante conductos llamados toberas, de ésta manera se logra la rotación de la rueda y por lo tanto del eje.
Las turbinas modernas poseen alrededor de 20 de estas ruedas. Con unos 5000 álabes. El motor de la turbina, o sea, el conjunto de estas ruedas, tiene una forma particular, pues se ensancha paulatinamente de la entrada a la salida; esta descripción se debe a que el vapor a medida que recorre la turbina se va enfriando, la presión disminuye y por lo tanto aumenta su volumen, de manera que en la zona de alta presión (a la entrada) el vapor necesario debe ser menor que en la zona de baja presión (a la salida).
Para lograr mayor eficacia entre cada hilera de álabes móviles se colocan álabes fijos a la caja que contiene el motor; estos tienen la función de dirigir el vapor a la siguiente rueda de álabes para que choquen en la forma más apropiada.
El chorro de vapor entra a una velocidad de aproximadamente 2000 km/h, la presión de entrada es de unos 80 at.
En la construcción de estas turbinas existen distintos inconvenientes que deben tenerse en cuenta para su correcto funcionamiento; por ejemplo la temperatura puede ascender de 20ºC a 500ºC, las altas velocidades provocan intensas fuerzas centrífugas provocando vibraciones internas (acá es fundamental el preciso balanceo de cada rueda de álabes).
La turbina es más eficiente cuanto mayor es la velocidad, por lo tanto no conviene usarse en instalaciones que requieran bajas velocidades. Cuando se coloca en locomotores o barcos se colocan grandes engranajes reductores, la velocidad suele andar en los 70.000 rpm.
b) Turbina de gas
Consta además del motor y los elementos ya mencionado de una cámara de combustión, donde se inyecta una corriente de combustible líquido.
Allí se quema continuamente, provocando una corriente de gases de alta presión y alta Tº. Al pasar por los álabes los gases se enfrían y expanden. Para aumentar la eficacia, el aire que va a la cámara de combustión, es comprimido antes; el compresor está acoplado al propio eje de la turbina; de modo que es ésta la que lo impulsa, claro que así se desperdicia parte de la energía, pero los cálculos igual demuestran que logra mejor rendimiento que si se empleara gas sin comprimir.
Después de haber recurrido a la turbina los gases restantes escapan a la atmósfera o se recobran, según el tipo de turbina.
La puesta en marcha
Comienza con una chispa provocada por una bujía ubicada en la cámara de combustión, el combustible se enciende, los gases pasan a la turbina y ésta comienza a girar; de esta manera comienza a mover el compresor que envía aire a la cámara y el proceso continua; cuando la Tº aumenta lo suficiente, la bujía ya no es necesaria y se desconecta.
Refrigeradoras
Esquema básico
2) Definición
Es todo dispositivo que puede transferir Q de una fuente fría a otra caliente, mediante el consumo de cierto trabajo.
Es decir, es un sistema que funciona al revés que una M.T., pues transforma energía mecánica en energía calórica.
Realizando una comparación mecánica es equivalente a llevar un cuerpo de un nivel a otro superior (haciéndole ganar Ep) mediante un trabajo.
3) Funcionamiento
Podemos visualizar el proceso descripto en una heladera familiar, donde mediante un motor eléctrico hacemos trabajar un compresor y sacamos calor de un medio frío (el interior) y se transporta a un medio caliente (el exterior).
Esta clase de equipo tiene un EVAPORADOR donde se produce la evaporación de un líquido volátil (de rápida evaporación).
El vapor resultante de dicha evaporación es comprimido a alta presión mediante el compresor; luego pasa al condensador donde se licua nuevamente.
El líquido resultante vuelve al evaporador y así el ciclo se reinicia; es decir: con el trabajo realizado por el compresor se consigue una corriente continua de fluído en el evaporador, el refrigerante quita a los cuerpos que lo rodean el calor necesario para vaporizarse. Y el condensador en cambio entrega dicho calor al medio.
ESQUEMA:
2º Principio de la Termodinámica
Junto con el 1º principio forman dos leyes fundamentales de la física, en particular del capítulo de las energías y sus transformaciones.
Este principio es el fundamento teórico del funcionamiento de toda máquina térmica (M.T.) o máquina refrigerante (M.R.) Se lo puede enunciar de diversas formas, las más importantes son:
-
Es imposible obtener trabajo por medio de un agente material inanimado de una porción de materia, enfriándola a una temperatura inferior a la del cuerpo más frío que la rodea (Enunciado de Kelvin).
-
No se puede construir una máquina a funcionamiento periódico que realice un trabajo y enfríe un recipiente (extraiga Q de una fuente). (Enunciado de Max Plank)
3) El calor no puede pasar, por sí solo, de un cuerpo a cierta Tº; a otro cuerpo de Tº mayor. (Enunciado de Clavsius)
Carnot retomando los experimentos de Clausius, recalcaba en la necesidad de dos fuentes térmicas para que una M.T. pudiera funcionar. Carnot comparaba su funcionamiento con el de una rueda hidráulica que para que funcione es necesario que haya un desnivel del agua (la rueda girará, entregando trabajo, si y solo si el agua circula del nivel de mayor energía al de menor energía); de igual manera para que la M.T. funcione debe haber un desnivel térmico y el Q fluirá de la fuente de mayor a la de menor.
Estas conclusiones fueron derivadas de un ciclo que lleva su nombre:
Ciclo de Carnot:
Se trata de una expansión isotérmica (A-B); luego otra expansión adiabática (B-C) y luego 2 compresiones una (C-D) isotérmica y una adiabática (D-A).
En la práctica cualquier M.T. tendrá un ciclo que se asemeje a este.
Llamado Q1 al calor entregado por la fuente caliente a una temperatura T1 y Q2 a la cantidad de calor recibido por la fuente fría a una temperatura T2; se comprueba que dichas cantidades cumplen con la siguiente proporción:
En la misma si aplicamos propiedades algebraicas podemos escribir:
Y como Q1– Q2 es justamente la diferencia de Q transformado en trabajo durante el ciclo, y Q, es el calor entregado a la máquina, dicha expresión nos permite calcular el h de la máquina, es decir:
Conclusiones:
1)El h de una M.T. que responde al ciclo de Carnot, solo depende de las Tº absolutas entre las cuales trabaja (las Tº de cada fuente). Observamos que el h será mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las Tº de cada fuente. Si T1 >> T2 entonces T1 –T2 aumenta, mayor h.
2) Si T1 = T2,, h= 0. Como ya dijimos si no hay diferencia de Tº la máquina no funciona (en la práctica será tan importante calentar el agua en la caldera, como enfriarla en el condensador).
3) Para que el h fuera del 100% deberíamos tener:
Es decir, la fuente fría debería encontrarse en el cero absoluto; sabemos que esto es físicamente imposible. Por lo tanto el h del 100% jamás podría lograrse.
4) También podemos entender por qué es imposible que existan Tº por debajo del 0ºK; pues debería ser:
lo cual nos estaría indicando que la M.T. entrega mas energía de la que consumió contradiciendo el 1º principio.
DESPIECE DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA “V8”
