Motores térmicos y ciclos termodinámicos: tipos y funcionamiento

Ciclos Termodinámicos y el Ciclo de Carnot

Procesos Reversibles e Irreversibles

Se dice que un proceso es reversible cuando un cambio muy pequeño en el ambiente puede hacer que cambie su trayectoria a la inversa. Una transformación termodinámica es reversible cuando las temperaturas y presiones se encuentran en equilibrio, y una pequeña variación determina el sentido de la transformación.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot representa el rendimiento máximo de un motor térmico.

Motores Térmicos

Un motor térmico es una máquina que tiene como misión transformar la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. La fuente de energía térmica puede ser muy variada, pero la procedente de la combustión de combustibles es la más importante de ellas.

Tipos de Motores Térmicos

Los motores térmicos se pueden clasificar según:

• Lugar donde se produce la combustión:
  • Motores Térmicos de Combustión Externa (M.T.V externa), como las máquinas de vapor.
  • Motores Térmicos de Combustión Interna (M.T.C interna), como los motores de los coches.
• Tipo de energía mecánica que generan:
  • Alternativos (pistón).
  • Rotativos (turbina).
  • Chorro (reacción).

Máquinas de Combustión Externa

Motor Alternativo de Combustión Externa

En este tipo de motor, el cilindro se mueve de forma alternativa gracias al vapor que llega desde la caldera, transformando su movimiento lineal en rotatorio por un sistema de biela-manivela del que forma parte un volante de inercia.

Motor Rotativo de Combustión Externa

El vapor pasa por unas toberas en las cuales pierde presión y gana velocidad a la vez que se orienta el flujo de manera que incide tangencialmente sobre la turbina, que absorbe la energía de la corriente produciendo la rotación del eje. Actualmente, las turbinas de vapor son ampliamente utilizadas en las grandes centrales de producción de energía eléctrica y en la propulsión de buques.

Motores de Combustión Interna

La combustión en una caldera tiene la ventaja de su fácil control, pero el grave inconveniente de que se pierde más calor del que se ha generado. Para evitar esas pérdidas, conviene quemar el combustible en el interior del propio órgano motriz.

Motor de Combustión Interna Rotativo (Turbina de Gas)

En estos motores, la expansión de los gases procedentes de la combustión actúa sobre una turbina. Sus componentes principales son:

• Compresor: Las diferentes etapas del compresor comprimen cada vez más el aire, transformando la energía cinética del aire en energía de presión.
• Cámara de combustión: Es el lugar a donde llega el aire comprimido, al que se inyecta combustible pulverizado mediante inyectores.
• Turbina: El “gas” es lanzado con energía cinética contra los álabes del rotor y pierde su energía cinética para transformarse en energía mecánica, que es aprovechada para mover el propio compresor y, por ejemplo, un alternador que genere energía eléctrica.

Motor de Combustión Interna Alternativo

Un motor alternativo es el que transforma la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones, desplazándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros.

Funcionamiento:

El motor realiza sobre el fluido de trabajo un ciclo operativo. Este puede ser de dos tipos: ciclo de 4 tiempos y ciclo de 2 tiempos.

Ciclo de 4 Tiempos

1. Primer tiempo (Admisión): El pistón, al descender desde el punto muerto superior (PMS), crea un cierto vacío en el cilindro que hace que este aspire el aire o la mezcla gaseosa combustible a través de la válvula de admisión que permanece abierta.
2. Segundo tiempo (Compresión): La válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI), momento en el cual este comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga hasta llegar al PMS.
3. Tercer tiempo (Explosión/Expansión): Instantes antes de que finalice la carrera de compresión, se produce la inflamación del combustible, con el consiguiente aumento de la presión y temperatura. El pistón es entonces proyectado de nuevo hacia abajo, produciéndose el trabajo.
4. Cuarto tiempo (Escape): Una vez que el pistón ha llegado al PMI, se abre una válvula de escape, el pistón asciende y los gases de la combustión son evacuados al exterior.