1. INTRODUCCIÓN.
2. CLASIFICACIÓN.
3. FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES MÁQUINAS TÉRMICAS MOTORAS.
3.1. Motor De Combustión Interna (M.C.I.).
3.1.1 Ciclo De Carnot.
3.1.2 Ciclos M.C.I.A
3.1.2.1. CICLO OTTO – CUATRO TIEMPOS.
3.1.2.2. CICLO OTTO – DOS TIEMPOS (MEP).
3.1.2.3. CICLO DIESEL – CUATRO TIEMPOS.(MEC).
3.1.2.4. CICLO DIESEL – DOS TIEMPOS.(MEC).
3.1.2.5. Comparación entre los tres ciclos teóricos.
3.1.2.6. Ciclo Indicado y Presión Media Indicada
3.1.3. Ciclos M.C.I.R.
3.1.3.1. turbinas de gas.
3.1.3.2. EL MOTOR ROTATIVO WANKEL.
3.2. Motor De Combustión Externa (MCE).
3.2.1. Turbina de Vapor.
0. RESUMEN.
Una máquina térmica como se podrá ver en la introducción es una máquina de fluido compresible que transforma calor en trabajo, en una primera clasificación se pueden dividir en máquinas térmicas motoras (motores térmicos) y máquinas térmicas generadoras (máquinas frigoríficas, compresores).
En este tema se describirán los motores térmicos y los ciclos teóricos en los que están basados. Los motores térmicos son máquinas que tienen la finalidad de transformar la energía térmica en energía mecánica utilizable. El trabajo útil es realizado por órganos en movimiento alternativo, o que giran en movimiento rotatorio o bien directamente por el empuje producido por un chorro de gas. Los motores se clasifican respectivamente en motores alternativos, motores rotativos, y motores a chorro.
El movimiento de los órganos que componen los motores térmicos es generado por un fluido que llamaremos fluido de trabajo. El fluido realiza el trabajo gracias a variaciones de presión y de volumen y que son consecuencia de la introducción de calor generado por la combustión.
Los motores son de combustión externa cuando la combustión se produce fuera del fluido de trabajo, y de combustión interna (endotérmicos), cuando el combustible se quema en el fluido mismo de modo que los productos de la combustión entran también a formar parte de este.
La serie de procesos producidos por un motor para conseguir trabajo se llama ciclo térmico. Un ciclo térmico se representa en el diagrama p-v mediante una línea cerrada. Se el ciclo transcurre en el sentido de las agujas del reloj, ciclo directo, el gas realiza trabajo. El área encerrada dentro de la línea que describe la sucesión de procesos representa el trabajo realizado por o sobre el gas.
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1. INTRODUCCIÓN.
Una máquina térmica es una máquina de fluido compresible. Para entender esta definición primero debemos saber que es una máquina de fluido.
Máquina de fluido.
Es el conjunto de elementos mecanismos que permiten intercambiar energía con el exterior (normalmente a través de un eje), por variación de la energía disponible del fluido que atraviesa la máquina. Durante todo el proceso, el fluido, absorbe, cede y almacena energía, pasando de un estado de equilibrio a otro; si el proceso es cerrado y el fluido vuelve a su estado inicial, habrá realizado un ciclo.
Las máquinas de fluido pueden ser de fluido compresible y de fluido incomprensible. Las primeras son las maquinas térmicas y las segundas son las máquinas hidráulicas.
2. CLASIFICACIÓN.
Las máquinas térmicas de fluido compresible, transforman calor en trabajo (energía térmica energía mecánica exteriormente aprovechable).
Este calor procede normalmente de una combustión, y es absorbido por el fluido.
Se pueden hacer varias clasificaciones de máquinas térmicas:
A. Atendiendo al modo en que se realiza la combustión.
3 Máquina de reacción interna. El estado térmica se produce en el propio fluido. Ejm: MEP, una chispa provoca la combustión de la mezcla explosiva dentro del propio cilindro.
3 Máquina reacción externa. El estado térmico se transmite al fluido a través de una pared. Ejm: Turbina de Vapor: El combustible arde en el aire, el calor se transmite al agua de la caldera y ésta en estado de vapor acciona la turbina.
B. Según el sentido en que se realiza el intercambio de energía:
3 Máquinasgeneradoras=> Fluido que absorbe energía.
3 Máquinas motoras=> Fluido que da energía.
C. Por el modo según el cual la energía introducida es transformada en energía mecánica.
3 Continua
3 Alternativa=> El desplazamiento lineal del émbolo.
Así pues, una Clasificación General de las Máquinas Térmicas, sería:
A) MÁQUINAS TERMICAS MOTORAS: Fluido que da energía. (MOTORES TÉRMICOS).
A1) MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA: El estado térmico se produce en el propio fluido (MCI).
3 ALTERNATIVAS (MCIA).
– Motor encendido provocado (MEP) – OTTO – Explosión – Chispa.
– Motor encendido por compresión (MEC) – Diesel – Combustión
3 ROTATIVAS.
– Turbinas de gas de circuito abierto.
– Motor Waukel.
A2) MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA: El fluido obtiene el estado térmico a través de una pared (MEC).
3 ROTATIVAS.
– Turbinas de gas de circuito cerrado (TG) => Fluido no condensable.
– Turbina de vapor (TV) => Fluido condensable.
B) MÁQUINAS TÉRMICAS GENERADORAS: Fluido que absorbe energía.
B1) MÁQUINAS FRIGORÍFICAS.
B2) COMPRESORES
– ALTERNATIVOS.
– ROTATIVOS.
3. FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES MÁQUINAS TÉRMICAS MOTORAS.
Los motores térmicos son máquinas que tienen la finalidad de transformar la energía térmica en energía mecánica directamente utilizable.
La energía térmica puede provenir de diferentes fuentes primarias: combustibles de varios orígenes, energía eléctrica, energía solar. Energía nuclear.
Los motores térmicos son de combustión externa cuando la combustión se produce fuera del fluido de trabajo, y de combustión interna, o más Brevemente endotérmicos, cuando el combustible se quema en el fluido mismo de modo que los productos de la combustión entran también a formar parte de éste. En otras palabras, son de combustión externa los motores en los cuales el calor es transmitido al fluido a través de las paredes de una caldera (motores a vapor) o de otros tipo de intercambiadores (motores Stirling y turbinas de gas de ciclo cerrado); son endotérmicos los motores en los cuales la combustión se produce en le fluido de trabajo, el cual por tanto está parcialmente constituido por una mezcla de combustible y comburente y sufre después una sucesión de transformaciones debidas a la reacción de combustión.
3.1. Motor De Combustión Interna (M.C.I.).
La energía térmica del combustible, se transforma en trabajo mecánico. La combustión que suministra el calor necesario, se realiza dentro del mecanismo cilindro-pistón, formando el fluido de trabajo los gases de combustión junto con el aire no quemado.
Dentro de los MCI distinguimos los MCIR y los MCIA dentro de estos últimos también podemos diferenciar los MEP(de explosión), MEC (combustión progresiva).
A continuación veremos varios ciclos termodinámicos de trabajo de los MCI.
Desde el punto de vista termodinámico, cualquier motor térmico debería funcionar según un ciclo de Carnot (ciclo reversible compuesto por dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos ). En la práctica, es imposible diseñar un MCI que funcione con un combustible que absorba a ceda calor a Tª cte. El ciclo de Carnot es ideal pues supone procesos ideales:
7 Procesos isotérmicos. El fluido absorbe o cede calor y el cilindro mantiene una Tª cte. Para esto habría de ser el cilindro 100% conductor.
7 Procesos adiabáticos. El sistema realiza trabajo , con variación de la energía interna, pero no hay transferencia de calor. Aquí supone cilindro 100% aislante.
Según esto para los MCI se han ideado 3 ciclos termodinámicos que se ajustan más al ciclo real. Mediante las cuales es más cómodo dar calor a un fluido siguiendo otros procesos (no isotérmicos).
Ciclo con aporte de calor a V=cte siguiendo proceso isocórico.
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Ciclo con aporte de calor a P=cte siguiendo proceso isobárico.
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Ciclo mixto aparte de calor a la sustancia de trabajo parcialmente a V=cte y parcialmente a P=cte.
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3.1.1 Ciclo De Carnot.
Es el ciclo más sencillo que existe, el fluido realiza 4 pasos reversibles.
Tenemos que tener en cuenta que la energía que entra es igual a la energía almacenada más la energía que sale (Q = DU + W). Y también que PV=RT.
(1-2): Comprensión adiabática. Q12=0, DU + W12=0
DU>0, aumenta la energía interna del sistema. La Tª aumenta hasta T2.
W12<0, sobre el sistema se realiza trabajo para aumentar la energía interna del sistema.
(2-3): Expansión isotérmica. Tª = cte =T2 = T3 = Ta U = cte. DU=0
Q23=W23. Q23>0; fluido absorbe calor. Qa= Q23
W23>0; sistema realiza trabajo.
(3-4): Expansión adiabática. Q34=0, DU + W34=0
DU<0, disminuye la energía interna del sistema. La Tª baja hasta T4.
W34>0, el sistema realiza trabajo a costa de su energía interna.
(4-1): Comprensión isotérmica. cte =T1 = T4 = Tb U = cte. DU=0
Q41=W41. Q41<0; fluido cede calor. Qc= |Q41|=Q14
W41>0; sobre el sistema se realiza trabajo.
Para el ciclo completo: QNhWN CICLO REVERSIBLE CERRADO DU=0
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Qa= Q23 QN=Qa-Qc>0 El fluido absorbe calor.
Qc= |Q41|=Q14 WN>0 El sistema realiza trabajo.
Rendimiento térmico.
El ciclo de Carnot se ha estudiado como punto de partida para medir la eficacia de otros ciclos prácticos, ya que es obvio que no existe mecanismo, cilindro – pistón en que pueda realizarse este ciclo de modo reversible.
Relación de expansión re=V3/V4
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Relación de compresión. Ra=V2/V1
Ciclo reversible
Como conclusiones que se pueden derivar del ciclo de Carnot, tenemos:
· El ht en el ciclo de Carnot es independiente del combustible usado.
· Para efectuar la transformación de energía térmica a trabajo mecánico debe haber un descenso de temperatura. A mayor descenso de temperatura el rendimiento térmico es mayor.
· Para que el rendimiento térmico sea igual a uno la temperatura en b tiene que ser el 0 absoluto y la temperatura en a tiene que ser :, cosa imposible.
· El rendimiento térmico será mayor que el rendimiento de cualquier otro ciclo.
3.1.2 Ciclos M.C.I.A
Estudiaremos tres ciclos para motores de combustión interna que se acerquen más a las condiciones prácticas.
1º Ciclo. Aporta calor siguiendo un proceso isocórico (MEP).
2º Ciclo. Aporta calor siguiendo un proceso isobárico (MEC).
3º Ciclo. Mixto. Aporta calor parcialmente según proceso isocórico y parcielmente según proceso isobárico.
En cada uno de estos ciclos, se distinguen dos tipos de procesos.
· Proceso termodinámicos (compresión, expansión, combustión).
· Procesos de renovación de la carga(admisión, escape).
1º CICLO.
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Aporta calor a volumen constante. Usado principalmente en MEP.
(1-2): Comprensión adiabática; de la mezcla explosiva aire-combustible. Con lo que aumenta la presión de la mezcla y la temperatura hasta P2, T2.
Q12=0 DU>0 W12<0 Wc=|W12|
(2-3): Combustión isocórica; la mezcla explosiva al dar con la chispa, se combustiona siguiendo un proceso isocórico. Aumenta mucho la temperatura y la presión.Qa=Q23.
(3-4): Expansión adiabática de los gases productod de la combustión, hasta llegar al volumen inicial. V4 =V1, Wexterior =W34
(4-1): Escape isocórico de los gases al exterior. La presión y la temperatura disminuyen hasta condiciones iniciales (P1,T1), Qc=|Q41|.
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2º CICLO.
Aporte a presión constante. Usado en MEC lentos
(1-2): Comprensión adiabática; aumenta la presión y la temperatura hasta T2 es igual a la temperatura de autoinflamación del combustible. WC= |W12|.
(2-3): Combustión isobara del combustible inyecta en 2 se quema progresivamente a presión constante, el volumen aumenta.
(3-4): Expansión adiabática de los gases producto de la combustión Wext = W34.
(4-1): Escape isocórico de productos quemados.
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3º CICLO. CICLO MIXTO. Aporta calor a volumen constante y a presión constante (MEC rápidos).
Aporta calor. Qa=Qa(v)+Qa(p)
Combustión isócora de 2 a 2’
Combustión isobárica de 2’ a 3.
3.1.2.1. CICLO OTTO – CUATRO TIEMPOS.
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El ciclo OTTO teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa.
MEP está constituido por un cilindro con dos válvulas en la cabeza.
§ Válvula de admisión. Por donde entra la mezcla explosiva de combustible y oxígeno, previamente formada en le depósito.
§ Válvula de escape. Por donde salen los gases quemados, producto de la combustión.
Para que el ciclo OTTO sea completado, hacen falta 4 carreras del émbolo (dos revoluciones de motor, dos vueltas completas al cigüeñal).
1º TIEMPO: ADMISIÓN. La admisión de la mezcla explosiva se realiza a presión atmosférica constante (0-1). La válvula está abierta hasta que el émbolo llega el PMI donde se cierra. La válvula se abre por la depresión que crea el pistón al desplazarse a la derecha (presión < presión atmosférica). Admisión isobárica.
2º TIEMPO: COMPRESIÓN ADIABÁTICA (1-2). El pistón se desplaza del PMI al PMS comprimiendo la mezcla explosiva, considerando el cilindro aislante. Q12=0.
En el punto dos hay una mezcla comprimida a elevada Tº=T2. En dos salta una chispa eléctrica por una bujía y comienza la combustión ISOCÓRICA de la mezcla (proceso de ignición). La mezcla se ha transformado en la sustancia de trabajo, habiendo alcanzado T3 y P3 valores muy altos a volumen constante.
Se ha supuesto combustión instantánea y homogénea Qa=Q23.
3º TIEMPO: EXPANSIÓN ADIABÁTICA de los gases productos de la combustión, debido a las altas P3, T3. El pistón se desplaza del PMS a PMI (P4-T4-V4 (V1)). Aquí se supone el cilindro aislante Q34.
4º TIEMPO: ESCAPE ISOCÓRICO de productos quemados que se encuentran a P4>PATMOSFÉRICA (se abre válvula de escape) hasta que alcanza P1=PATMOSFÉRICA. Aquí el pistón sigue su carrera del PMI al PMS (1-0) y sigue desalojando los gases a presión constante.
Iniciándose de nuevo el ciclo OTTO de cuatro tiempos.
En realidad en los motores de cuatro tiempos la extracción del calor se produce durante la carrera de escape, y el fluido es introducido en el motor en la carrera de admisión.
Procesos del Ciclo OTTO-4T.
compresión adiabática.
– 2º tiempo
Procesos Termodinámicos P. ignición = combustión
isocórica
– 3º tiempo – expansión adiabatica.
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-1º tiempo – admisión isobárica.
Procesos de renovación de carga
– 4º tiempo – escape (isocórico y
isobárico)
Para optimizar el proceso de renovación de la carga (eliminar los residuos de gases quemados mejor y provocar que la mezcla admitida sea lo más pura posible) se hace un cruce de válvulas:
Válvula de admisión. Abre antes de llegar al PMS y cierra después del PMI.
Válvula de escape. Abre antes de llegar al PMS y cierra después del PMS.
Hay un tiempo en que ambas válvulas están abiertas alrededor del PMS y PMI este tiempo determina el ÁNGULO DE DECALAJE DE UN MOTOR.
3.1.2.2. CICLO OTTO – DOS TIEMPOS (MEP).
Este ciclo consta de las mismas cuatro fases que el de cuatro tiempos, pero para un ciclo completo basta con del carreras del émbolo (una revolución del motor). La diferencia radica en la construcción de la máquina ya que esta carece de válvulas y en su lugar tiene tres lumbreras: lumbrera de admisión, lumbrera de escape y lumbrera de carga.
La mezcla no entra directamente del carburador al cilindro sino que entra primero al carter donde experimenta una primera compresión.
En la primera media vuelta del cigüeñal el pistón sube comprimiendo los gases y dejando abierta la lumbrera de admisión por donde entra la mezcla combustible del carburador del carter.
Una bujía provoca la chispa y se produce la combustión de la mezcla comprimida; el pistón baja por la presión de los gases de combustión realizando trabajo.
En la segunda media vuelta del cigüeñal, el pistón descubre la lumbrera de escape, casi al fin de la carrera para desalojar gases quemados. Al final se descubre la lumbrera de admisión y entra la mezcla del carter del cilindro (empujando al tiempo los gases quemados por la lumbrera de escape).
3.1.2.3. CICLO DIESEL – CUATRO TIEMPOS.(MEC).
Lo realizan los motores de compresión interna progresiva (motores de encendido por compresión).
Los procesos de este ciclo son similares a los seguidos por el ciclo OTTO de cuatro tiempos. Para un ciclo completo hacen falta cuatro carreras de émbolo (dos revoluciones del motor).
Proceso de admisión. En este ciclo por la válvula de admisión entran solo aire puro (también es isobárica).
Proceso de combustión. La combustión es progresiva, cuando el aire es comprimido (adiabáticamente), a una P y Tª elevadas, se produce la inyección del combustible atomizado (la P aumenta) que se va quemando, conforme entra en el cilindro, isobáricamente. Y dura sólo parte del recorrido del pistón hacia el PMI.
Antiguamente la atomización del combustible se conseguida por medio de aire comprimido a 50 ó 60 bares.
Actualmente se usan se usan bombas pequeñas de inyección para obtener presión de 140 a 700 bares.
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< irreversible
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= reversible
(2-3): Combustión isobárica. 
(4-1): escape isocórico.
3.1.2.4. CICLO DIESEL – DOS TIEMPOS.(MEC).
Los procesos seguidos son en general iguales que los del ciclo OTTO-2T, se diferencian:
§ Proceso de admisión. El tiempo que coexisten abiertas las lE y la no le hace nada, pues lo que escapa es sólo aire (no mezcla explosiva).
§ Proceso de combustión. Se inyecta combustible atomizado al aire comprimido (hasta una P y Tº prefijadas) para que según se vaya inyectando el combustible y se autoinflame, se produzca la combustión progresiva a presión constante.
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Además no hay peligro de que se produzca la combustión antes del PMS, pues durante la compresión no hay combustión.
Para un ciclo completo basta con dos carreras del émbolo (una vuelta al cigüeñal) aunque consta de las mismas 4 fases.
(2-3): Combustión isobárica del combustible inyectado al aire puro comprimido de una manera progresiva. L A y LE están cerradas.
(3-4): Expansión adiabática de los gases producto de la combustión que termina en el momento que el embolo descubre la Le.
(4-5): Escape isocórico de los gases quemados a la atmósfera, dura hasta que el émbolo descubre LA.
(5-6):Admisión isóbara del aire puro de la atmosfera.
(6-5-1): El émbolo inicia su carrera a la izquierda hacia PMS. Tapa primero LA y luego LE.
(1-2): Comprensión adiabática del aire puro que tenemos cuando el émbolo llega al PMS.
3.1.2.5. Comparación entre los tres ciclos teóricos.
Para comparar los ciclos que hemos examinado es necesario tomar como referencia algunos de los parámetros de cuyos valores dependen la forma y el área del diagrama, como la relación de compresión, la presión máxima, la cantidad de calor aportada, la cantidad de calor extraída y el trabajo útil.
En la siguiente figura se indican la curvas de las variaciones del rendimiento térmico ideal en función de la relación de compresión para los tres ciclos.
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Como se puede ver en la figura, los rendimientos térmicos de los ciclos teóricos aumentan el aumentar la relación de compresión. Para una determinada relación de compresión (por ejemplo 10) el ciclo OTTO tiene el mayor rendimiento, mientras el ciclo diesel tiene el menor. Sin embargo, debe tenerse presente que para los motores Diesel las relaciones de compresión varían entre 14 y 22, mientras que para los motores de encendido por chispa las relaciones de compresión generalmente no superan el valor de 10 para no incurrir en el fenómeno de la detonación.
Por lo tanto, en la realidad el motor Diesel tiene un rendimiento térmico superior al motor de ciclo OTTO.
3.1.2.6. Ciclo Indicado y Presión Media Indicada.
El ciclo real refleja las condiciones reales de funcionamiento de un motor y se identifica con el diagrama de las presiones medidas en el cilindro, correspondientes a las diferentes posiciones del pistón.
Este diagrama se llama diagrama indicado y el aparato que sirve para trazarlo, indicador.
Los aparatos indicadores son en realidad dispositivos complejos y delicados que se han beneficiado de la electrónica en lo referente a facilidad de aplicación.
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El área sombreada representa el trabajo negativo, debido al bombeo en las fases de admisión y de escape, el área no sombreada representa el trabajo positivo.
La diferencia entre ellos es el trabajo útil. Dividiendo el área correspondiente el trabajo útil realizado por el fluido por la longitud de la carrera o por la cilindrada Vp, se obtiene el valor de la presión media indicada (p.m.i).
Si se quiere evaluar la importancia de la variación de trabajo útil al pasar del ciclo teórico al indicado, se hace la razón entre las áreas correspondientes.
Dividiendo el área del ciclo indicado por la del ciclo teórico de aire se obtiene el rendimiento indicado.
3.1.3. Ciclos M.C.I.R
3.1.3.1. turbinas de gas.
Históricamente las turbinas de gas han sido con respecto a los MCI, lo que las turbinas de vapor a las máquinas alternativas de vapor, donde el movimiento alternativo del émbolo en el cilindro motor, se ha sustituido por el movimiento rotativo de los rodetes a fin de obtener una máquina mucho más rápida (esta velocidad de rotación elevada conduce e luna máquina de mucho menor volumen y peso para lo misma potencia).
Los ciclos termodinámicos que utilizan las turbinas de gas, pueden ser:
§ Ciclo con aporte de calor a presión constante.
§ Ciclo con aporte de calor a volumen constante.
La turbina de combustión a presión constante. Este tipo de turbina esta constituido en su esquema más simple, por un compresor, una cámara de combustión y por la turbina propiamente tal. El aire entra al compresor y pasa, con mayor presión, a la cámara de combustión, donde se inyecta el combustible de modo continuo mediante una bomba especial. La combustión, iniciada eléctricamente en la puesta en marcha se mantiene a presión constante produciendo un fuerte aumento de la temperatura y del volumen del fluido. El fluido, al expandirse a través de rotor de la turbina produce trabajo, una parte del cual es absorbido por el compresor transmitiéndose el resto como trabajo útil a la toma de fuerza. Los gases calientes, expandidos hasta la presión atmosférica se descargan al exterior.
La turbina de combustión a volumen constante. Difiere de la turbina a presión constante por tener la cámara de combustión provista de válvulas de admisión y de escape. El compresor, que generalmente es mucho más pequeño que el de una turbina de combustión continua equivalente, carga las diferentes cámaras de combustión, cuando son más de una, a medida que se abren las válvulas de admisión accionadas por un sistema de distribución especial. A penas cada cámara esta cargada y la válvula de introducción se ha cerrado, se introduce una cierta cantidad de combustible, que se enciende mediante una chispa. Se produce así un rápido aumento de presión que, con la apertura de la válvula de escape, provoca un chorro de gases quemados sobre los alabes del rotor de la turbina. Cuando en la cámara de combustión la presión se ha reducido hasta el valor de la presión atmosférica, la válvula de escape se cierra.
Ciclo téorico de la turbina de combustión.
El ciclo teórico de la turbina de combustión continua es el ciclo a presión constante, también llamado ciclo Brayton.
El aire entra al compresor a la presión atmosférica y es comprimido adiabáticamente desde el punto uno al punto dos.
La combustión se realiza a presión constante desde el punto dos al punto 3, con introducción de una cierta cantidad de calor Q1 que produce un aumento de volumen del fluido.
La expansión se produce a través de los conductos de la turbina según la curva adiabática 3-4. En el punto cuatro los gases se descargan el exterior o bien, eventualmente enfriados a presión constante según la línea 4-1, vuelven el estado inicial para seguir circulando por el sistema.
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Rendimiento térmico ideal.
El rendimiento térmico referido al ciclo ideal de Brayton se puede obtener con un procedimiento análogo al seguido para los ciclos ideales de los motores alternativos.
Quedando así:
Aplicando las siguientes relaciones.
(razón de combustión a presión constante)
Nos queda el rendimiento térmico:
Rendimiento del ciclo real.
El ciclo ideal no considera las pérdidas que inevitablemente se verifican en el sistema. Se trata principalmente de pérdidas de presión debidas al rozamiento de la corriente fluida sobre las superficies con las que está en contacto y a la resistencia de forma de los álabes, de pérdidas de calor por combustión imperfecta y de trabajo perdido por el rozamiento de los cojinetes.
Para tenerlas en cuenta se introducen en el cálculo del rendimiento térmico del ciclo real los coeficientes de rendimiento de las partes individuales que componen la máquina. Estos son:
§ hE =rendimiento adiabático efectivo del compresor.
§ ht= rendimiento adiabático efectivo de la turbina.
§ h’c = rendimiento de la combustión.
3.1.3.2. EL MOTOR ROTATIVO WANKEL.
Innumerables patentes han sido registradas y muchos proyectos han sido realizados en el intento de crear un motor rotativo volumétrico que tuviese características constructivas y funcionales superiores a las des motor alternativos.
Sólo y después de un largo periodo de tentativas y de investigaciones se pudo poner en producción un motor de pistón rotativo de ciclo OTTO; el motor wankel.
El motor Wankel es un motor de cuatro tiempos. Mecánicamente difiere de manera notable del motor alternativo. La función de los cilindros es realizada por un recipiente estacionario, el estator, de una forma especial que recuerda vagamente un 8, mientras que la del pistón es realizada por un rotor, el pistón rotativo, que tiene la forma de un triángulo equilátero con los lados convexos.
El estator contiene los conductos de aspiración y de escape los cuales dan directamente al interior sin la interposición de válvulas porque el rotor además de las funciones de pistón, cumple también las de distribuidor, sustituyendo a las válvulas.
En el motor Wankel el rotor acoplado a un excéntrico gira sobre su propio eje y orbita alrededor del eje del cigüeñal. Los tres vértices del rotor si mantienen en contacto con la pared de la cámara del estator. El perfil de esta pared es una curva simétrica con respecto a los dos ejes ortogonales, llamada epicotrocoide.
En el motor Wankel entre el estator y el rotor los vértices delimitan tres cámaras. El volumen de cada cámara varía cíclicamente de un máximo a un mínimo: la diferencia entre estos dos valores es la cilindrada unitaria.
3.2. Motor De Combustión Externa (MCE).
El fluido obtiene el estado térmico a través de una pared y fuera de la máquina térmica propiamente dicha.
3.2.1. Turbina de Vapor.
Para transportar el calor desde su lugar de producción (en la caldera). Se utiliza como fluido de trabajo el vapor de agua.
El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el ciclo termodinámico de RANKINE (trabaja en la zona de vapor y líquido).
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(1-2):Compresión adiabática isentrópica. Se realiza un fase líquida.
Wc aumenta Wc=|W12 |=W21 = h2-h1
(2-3-4): Adición de calor isobárica. En la caldera y el recalentado. En el proceso 3-4’ además es isotérmico.
Qa = Q24 El agua de calienta de 2 a 3 y se evapora y recalienta de 3 a 4. Qa =h4-h2
(4-5): Comienza en cuatro, la expansión de vapor recalentado en la turbina, mediante proceso adiabático isentrópico para producir un trabajo mecánico.
Q = W + Dh
WT = W45 = -(h5-h4) = h4-h5
(5-1):Condensación isobárica del vapor en el condensador, hasta liquido saturados
Qc = |Q51| = h5-h1
Rendimiento térmico de Rankine.
Ciclo real de las turbinas de vapor.
El rendimiento térmico será menor dado que habrá pérdidas de calor.
– Hay pérdidas en la caldera.
– Hay pérdidas en los conductos que van a la turbina.
– Hay pérdidas internas en la turbina.
– Hay pérdidas externas o mecánicas en la turbina.
– Hay pérdidas mecánicas en el compresor.