MÁQUINAS TÉRMICAS. CICLOS TERMODINÁMICOS Y ESQUEMAS. TEORÍA.

Transcripción

1 1 MÁQUINAS TÉRMICAS. CICLOS TERMODINÁMICOS Y ESQUEMAS. TEORÍA. Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis: 1. El gas que evoluciona en el interior de la máquina es ideal. 2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriar el volumen fijo. 4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas. CICLO DE CARNOT -En el proceso C-D le damos calor al aire del cilindro, manteniendo la temperatura constante e igual a la de la fuente a alta temperatura T A. Esto provoca un aumento de volumen y de presión, por lo cual, todo el calor transferido es convertido en trabajo. - En el proceso D-A se permite una expansión adiabática sin intercambio de calor con el exterior, a fin de disminuir la temperatura y a costa de perder presión. - En el proceso A-B se pone en contacto el sistema con la fuente de calor a baja temperatura T B y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. - Por último, en el proceso B-C se mantiene aislado térmicamente el sistema mientras se comprime, con lo cual aumenta su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema. Conclusiones 1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se alcanzan en el ciclo. 2. El rendimiento es tanto mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y cuanto menor es la temperatura baja.

2 2 CICLO RANKINE El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas (y antiguas máquinas de vapor en locomotoras o barcos). Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. Diagrama de Clapeyron - En el proceso D-E se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo. - El proceso E-A-B es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima. - La expansión del proceso B-C se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador. - El proceso C-D consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo. Para mejorar el rendimiento del ciclo se pueden aprovechar los gases de escape de la chimenea para precalentar el agua comprimida, reconduciendo el vapor que sale de la turbina a la caldera para recalentarlo y aprovecharlo en una segunda turbina de baja presión o aprovechando parte del vapor de la turbina para precalentar el agua antes de entrar en la caldera ( regeneración).

3 3 CICLO BRAYTON Este es un ciclo con aire, que es ampliamente utilizado en los motores de reacción de los aviones, y en todas aquellas centrales termoeléctricas que no operan con vapor de agua. Consiste en dar presión al aire para luego calentarlo a base de quemar combustible. Posteriormente este gas a alta temperatura se hace pasar por una turbina donde se extrae su energía; una parte de esa energía se emplea para impulsar el compresor, y la energía restante se utiliza para girar un generador eléctrico. - En el proceso 1-2 se produce una compresión en la que apenas se pierde calor, por lo que se considera adiabática, del gas. - Durante el proceso 2-3 se introduce calor manteniendo constante la presión. - La expansión del proceso 3-4 también se realiza de forma adiabática. Del trabajo total que se obtiene en la turbina, una parte se aprovecha para hacer girar el compresor, con lo cual el trabajo útil será la diferencia de ambos. - Por último, en la transformación 4-1 se refrigera el gas para devolverlo a sus condiciones iniciales.

4 4 MOTORES DE CUATRO TIEMPOS Estos son los motores que se utilizan mayoritariamente en automoción. Son motores alternativos, lo cual significa que un émbolo o pistón se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro. Mediante un sistema de transformación biela-manivela, este movimiento se transforma en el giro de una manivela o cigüeñal. El ciclo de funcionamiento de estos motores se completa con cuatro desplazamientos del émbolo, es decir, con dos vueltas completas. El desplazamiento del pistón se transforma en giro en el cigüeñal mediante una biela. Los orificios por los que entra y sale el aire se denominan válvula de admisión y válvula de escape, respectivamente. Como sólo existe un tiempo que realice trabajo, los motores de cuatro tiempos siempre tienen un volante de inercia que almacena energía rotatoria para los momentos en que se necesita energía. Otra técnica que se emplea de forma masiva es disponer cuatro cilindros girando a la vez para que siempre haya alguno realizando trabajo. CICLO OTTO CICLO DIESEL MOTORE DE DOS TIEMPOS Las ventajas del motor de dos tiempos respecto al de cuatro tiempos son su sencillez y ligereza. En los motores 2T cada ciclo dura una sola vuelta, por tanto, para calcular la potencia, hay que tener este dato en cuenta. Sin embargo, las desventajas de un motor 2T estriban en su menor rendimiento (no se quema completamente el combustible), mayor velocidad de giro, que se traduce en mayor desgaste, y la emisión de gases muy contaminantes, con aceite quemado entre ellos.

5 5 BOMBA DE CALOR ( Principio de funcionamiento de la bomba de calor - En el primer paso el fluido refrigerante se encuentra a baja temperatura y a baja presión y, por lo tanto, en estado líquido. El aire aspirado del ambiente pasa a través del evaporador, dónde el fluido refrigerante absorbe la temperatura del aire ambiente y cambia de estado. Al mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura más baja. - El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor pero todavía a baja presión. Pasándolo a través del compresor se produce un aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura. - Como resultado se obtiene vapor en un estado elevado de energía. Este vapor situado en el paso 3 es el que circula por el condensador situado a lo largo del calderín donde va cediendo toda la energía al agua acumulada, volviendo así a estado líquido. - En el último paso del proceso, el fluido refrigerante ya en estado líquido se hace pasar por la válvula de expansión para obtener de nuevo el fluido en sus condiciones iniciales, es decir, a baja presión y a baja temperatura. De esta forma se puede volver a iniciar el proceso. Bomba de calor con válvula reversible

6 6 REPRESENTACIÓN DE MÁQUINAS TÉRMICAS PARA HACER LOS EJERCICIOS