Máquinas Térmicas: Refrigeración, Bombas de Calor y Motores

Funcionamiento de un Ciclo Frigorífico-Bomba de Calor

Componentes y Explicación

• Compresor: Comprime adiabáticamente el fluido refrigerante, aumentando su temperatura.
• Condensador: El refrigerante cede calor Q1 a la zona de mayor temperatura, pasando a fase líquida.
• Válvula expansora: Reduce la presión del refrigerante, convirtiéndolo en líquido a baja presión.
• Evaporador: El líquido absorbe calor de los alrededores, regresando a su estado de vapor.

a) Uso del Mercurio en Máquinas Frigoríficas

El mercurio no es adecuado para máquinas frigoríficas porque:

• Su punto de ebullición es demasiado alto.
• Su densidad es elevada, requiriendo una bomba en lugar de un compresor.
• Es corrosivo y nocivo para el medio ambiente.

b) Rendimiento de Bombas de Calor vs. Estufas Eléctricas

Las bombas de calor tienen un rendimiento mayor que 1 porque el calor suministrado proviene tanto del trabajo del motor como del medio ambiente. Las estufas eléctricas tienen un rendimiento del 100% porque el calor generado es igual a la energía consumida.

a) Ventajas e Inconvenientes de Motores Rotativos

Ventajas:

• Alta potencia específica
• Funcionamiento suave y silencioso
• Peso y volumen reducidos
• Gran sencillez mecánica
• Mayor rendimiento térmico

Inconvenientes:

• Aleaciones especiales necesarias
• Mayor consumo de combustible
• Problemas de estanqueidad
• Escasa potencia desarrollada

b) Relación de Compresión en Motores de Dos y Cuatro Tiempos

La relación de compresión es mayor en los motores de cuatro tiempos porque tienen un volumen de cámara de combustión más pequeño en relación con la cilindrada.

Sobrealimentación de Aire en Motores Alternativos

La sobrealimentación aumenta la potencia del motor al introducir más aire en los cilindros. Se utiliza un turbocompresor para comprimir el aire, que luego se enfría en un intercooler.

Diagrama p-V del Ciclo Frigorífico de Carnot

El rendimiento del ciclo frigorífico de Carnot es:

Rendimiento = (T1 - T2) / T1

Donde T1 es la temperatura del foco caliente y T2 es la temperatura del foco frío.

Bomba de Calor

Componentes y Funcionamiento

• Compresor: Comprime el refrigerante.
• Condensador: El refrigerante cede calor al interior.
• Válvula expansora: Reduce la presión del refrigerante.
• Evaporador: El refrigerante absorbe calor del exterior.

Aprovechamiento de la Energía en Máquinas

No se puede aprovechar toda la energía suministrada a una máquina debido a las pérdidas por:

• Rozamientos
• Choques y vibraciones
• Resistencias pasivas
• Trabajos no útiles

El rendimiento de una máquina es la relación entre el trabajo útil y el trabajo motor.

Esquema de un Equipo Frigorífico

Componentes y Funcionamiento

• Compresor: Comprime el refrigerante.
• Condensador: El refrigerante cede calor.
• Válvula expansora: Reduce la presión del refrigerante.
• Evaporador: El refrigerante absorbe calor.

Definiciones en Motores de Combustión Interna Alternativos

a) Expansión Adiabática

Expansión del fluido sin intercambio de calor con los alrededores.

b) Relación de Compresión

Relación entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión.

c) Cuatro Tiempos

Ciclo con dos procesos adiabáticos y dos isócoros: admisión, compresión, explosión-expansión y escape.

d) Rendimiento Total

.a.Expansión adiabática: expansión o desplazamiento del fluido que desplaza al cilindro desde el PMS al PMI. La expansión se realiza sin intercambio de calor con los alrededores, es decir, adiabáticamente y de forma reversible. En esta fase se realiza trabajo positivo en forma de movimiento rectilíneo del émbolo.b. Relación de compresión: es el cociente entre el volumen V1=Vu +Vc y el volumen Vc donde Vu es la cilindrada unitaria o volumen entre el PMS y el PMI y Vc que es el volumen de la cámara de combustión.c. Cuatro tiempos: ciclo efectuado por un fluido que consta de dos procesos adiabáticos y dos isócoros que en conjunto reciben el nombre de tiempos.En un motor de combustión interna alternativo los cuatro tiempos son; admisión, compresión, explosión-expansión y escape.

11.-Una bomba de calor es capaz de calentar un recinto tomando calor del medio ambiente que está más frío. Justifique su funcionamiento y describa los elementos fundamentales que la componen. Existe la posibilidad de ceder la máxima cantidad de calor Q1  un sistema que actúa como foco caliente (a temperatura T1 ) absorbiendo calor del ambiente Q2 que se encuentra a temperatura menor T2 . En este caso el dispositivo recibe el nombre de bomba de calor. Trabajando como circuito de refrigeración, la bomba de calor, tiene un funcionamiento idéntico al de una máquina frigorífico. Cuando trabaja como calefacción, el condensador se encuentra en el interior y el evaporador en el exterior (al contrario que en un circuito frigorífico).

12.-Defina qué es un motor térmico. Establezca las diferencias entre los motores de combustión externa y los de combustión interna. Ponga dos ejemplos de cada uno.Un motor térmico es una máquina que transforma energía térmica en energía mecánica para poder realizar un trabajo.En función de donde se realiza la combustión, los motores pueden ser de combustión externa o de combustión interna.En los motores de combustión externa el calor necesario se genera en los alrededores de la máquina y se transporta al interior mediante un fluido (el calor estransmitido al fluido), por ejemplo el vapor, el cual produce energía mecánica através de una máquina alternativa o de una turbina de gas.Ejemplos de motores de combustión externa son: la máquina de vapor y la turbinade vapor.En los motores de combustión interna el calor generado se produce en el interiorde la máquina, en unas cámaras internas de la propia máquina, denominadascámaras de combustión, de manera que los gases de la combustión se expansionan provocando el movimiento de los mecanismos del motor.Un ejemplo de motores de combustión interna son: los motores de explosión degasolina y los motores diesel.

13.-a) Dibuje el ciclo teórico de un motor de encendido por chispa y cuatro tiempos.b) Analice las transformaciones de calor y de trabajo que se producen en dicho ciclo.b. Nicolaus Otto fue un ingeniero alemán que, a mediados del siglo XIX, diseñó elmotor que lleva su nombre y aunque en nuestro país es más conocido como elmotor de gasolina de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles como alcohol, butano, propano, etc.Tiempos del motor Otto, o motor de encendido por chispa y cuatro tiemposTiempo 1o Admisión: (transformación isobara 0-1) En este momento, el pistón seencuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso delpistón hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente más combustible mezclados.Tiempo 2o Compresión: (transformación adiabática 1-2) Cuando el pistón llega alPMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMScomprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W1. Al ser la transformación adiabática no hay transferencia de calorTiempo 3o Combustión – expansión: (transformación isócora 2-3 y adiabática 3-4) Cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, se produce una chispa en labujía, inflamando la mezcla y aumentando considerablemente la presión dentro delcilindro (Q1 es el calor generado en la combustión. En este momento se inicia laúnica carrera útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI.En la expansión se genera el trabajo positivo W2.Tiempo 4o Expulsión o escape: (transformación isócora 4-1 y isobara 1-0) Cuando llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuaciónde los gases quemados a la atmósfera. El resto de los gases son expulsados porel pistón en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.

14.-¿Por qué es necesaria la lubricación en los motores de combustión interna alternativos? ¿Qué partes son imprescindibles de lubricar? ¿De qué manera se lleva a cabo la lubricación?Una adecuada lubricación es necesaria debido al continuo rozamiento de las piezas móviles puestas en contacto.Si no existe lubricación, el material se desgastaría rápidamente, calentándose enexceso, llegando en muchas ocasiones a griparse o agarrotarse.Es necesario lubricar todas las partes móviles del motor.El aceite se encuentra en el cárter, y el cigüeñal inmerso en él. Cuando el cigüeñalgira, chapotea en el aceite y hace que éste llegue a todos los rincones que dan alcárter como las bielas, los pistones y las camisas de los cilindros.De forma indirecta la bomba de aceite impulsa a éste desde el cárter a la culata ylo deja caer por acción de la gravedad al cárter pasando por todas las piezas móviles, como árbol de levas, los taqués, las válvulas y los balancines.