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Máquinas térmicas

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    Máquinas térmicas Máquinas térmicas Presentation Transcript

    • PRINCIPIOS DE MÁQUINAS- MÁQUINAS TÉRMICAS - TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN Dpto. de Tecnología IES CAP DE LLEVANT - MAÓ Maó - 2009
    • Contenido  Principios de termodinámica. Representación gráfica e interpretación del Ciclo de Carnot.  Motores térmicos alternativos. Descripción de las partes y del funcionamiento.  Motores de ciclo de Otto y de ciclo diesel. Motores de 2 i 4 tiempos.  Identificación de las diferencias fundamentales entre los tipos de motores estudiados.  Análisis de los ciclos teóricos y reales de los motores.  Cálculos y datos en los motores: presión media efectiva, rpm, par motor, trabajo de un ciclo, cilindrada, potencia indicada, potencia de eje.  El consumo de combustible y el rendimiento del motor (térmico y mecánico). Curvas de par, potencia y consumo de combustible. Gráficos y su análisis.  Balance energético de un motor. Interpretación gráfica del balance de energía de un motor.  Resolución de problemas de cálculo de potencia, trabajo de un ciclo, par motor, consumo de combustible, rendimiento térmico, etc., en los motores.  Máquinas térmicas rotativas. Descripción de diferentes tipos de turbinas. El ciclo de Rankine.  Representación gráfica de las piezas más características de un motor.  Circuitos frigorífico: Principio de funcionamiento y elementos. Bomba de calor.  Identificación de los elementos fundamentales de un equipo frigorífico.  Descripción termodinámica del ciclo frigorífico. Representación del ciclo frigorífico en diagrama T-S.  Descripción de la bomba de calor. Uso y aplicación práctica.  Disposición a dar importancia a los temas ambientales dentro del marco de un desarrollo sostenible. 2CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Primer principio de la TERMODINÁMICA (I)  Es la ley de conservación de la energía aplicada al estudio de las máquinas térmicas. Si se realiza trabajo sobre un sistema o éste intercambia calor con otro la energía interna del sistema cambiará. Por tanto, el calor es la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. ∑ Eentra – ∑ Esale = ∆E MOTOR TÉRMICO Q = ∆U + W (aumenta Tª motor y genera trabajo mecánico) MÁQUINA FRIGORÍFICA W = ∆U + Q (aumenta Tª compresor y se extrae calor) 3CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Primer principio de la TERMODINÁMICA (II)  Sea cual sea el procedimiento usado para convertir el calor en trabajo o viceversa, hay una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial. Esta relación se denomina equivalente mecánico del calor y es igual a 427 Kgm/Kcal. 4CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Segundo principio de la TERMODINÁMICA  El flujo espontáneo de calor MÁQUINA TÉRMICA CÍCLICA siempre es unidireccional, desde los  NO puede transformar calor en cuerpos de mayor temperatura trabajo sin aumentar la energía hacia los de menor termodinámica del ambiente. temperatura, hasta lograr un  Tendrá un rendimiento equilibrio térmico. energético menor a la unidad.  NO podrá efectuar trabajo sin absorber calor de una fuente  No existe ningún dispositivo externa con mayor Tª. que, operando por  NO podrá efectuar trabajo sin ciclos, absorba calor de una ceder calor al exterior que única fuente (E.absorbida) y lo estará a menor Tª. convierta íntegramente en  El calor no se puede transferir trabajo (E.útil).(Enunciado de espontáneamente de un Kelvin-Planck). cuerpo frío a otro más caliente. 5CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclos termodinámicos (I)  PROCESO TERMODINÁMICO REVERSIBLE En cada momento de la transformación termodinámica las temperaturas y presiones están en equilibrio. Una variación muy pequeña de estas determina el sentido de la transformación. PROCESO ABIERTO A ∆T , ∆P B Ambas transformaciones A→B y B→A son reversibles PA , TA PB , TB y pasan por los mismos estados A PROCESO CERRADO Ó ∆T , ∆P CICLO PA , TA 6CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclos termodinámicos (II) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TÉRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al frío. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF TC > TF FOCO FOCO MÁQUINA QC QF FRIGORÍFICA (TC) (TF) El calor se extrae del foco W = Qc - QF frío y se manda al caliente. La diferencia de calor es el trabajo consumido Para que se produzca trabajo neto la máquina térmica debe funcionar entre 2 focos a temperaturas diferentes, de lo contrario no hay tránsito de calor 7CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Eficiencia térmica  De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, el calor no se podrá transformar íntegramente en trabajo. Por tanto, definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TÉRMICA (ƞt) como la relación entre el trabajo realizado y la energía en forma de calor aportado por el cuerpo caliente EUTIL η E APORTADA W QC QF QF ηt 1 QC QC QC 8CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (I) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TÉRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al frío. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF Lógicamente, interesa que el intercambio de calor sea el menor posible (ceder el mínimo calor Q F posible) para transformar en trabajo la mayor cantidad de calor posible. Carnot (1824) partió de tres hechos incuestionables para definir el rendimiento máximo de un motor térmico (o máquina frigorífica):  Al motor se le suministra energía en forma de calor a Tª elevada. (calor proporcionado por el combustible)  El calor realiza trabajo mecánico. (trabajo obtenido)  El motor cede calor a Tª inferior. (pérdidas en calor en los gases de escape) QC QF QF ηt 1 QC QC 9CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (II) Suponemos un gas ideal que realiza un ciclo reversible en el interior de un cilindro de un motor térmico que funciona entre dos focos de calor, el caliente a temperatura T1 y el frío a temperatura T2.  Tiempo 1 .-  Culata del cilindro: foco caliente T1.  Expansión isotérmica del gas del punto a al punto b a la temperatura T1=Ta=Tb  Se realiza trabajo exterior a costa del calor absorbido del foco caliente. Vb W1 Q1 R T1 ln Va 10CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (III)  Tiempo 2 .-  Culata del cilindro: material aislante.  Expansión adiabática del gas del punto b al punto c hasta alcanzar la temperatura T2=Tc=Td  No se produce intercambio de calor con el exterior  La ecuación de estado para el gas es: γ 1 Tb Vc T1 Tc Vb T2 11CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (IV)  Tiempo 3 .-  Culata del cilindro: foco frío T2.  Compresión isotérmica del gas del punto c al punto d a la temperatura T2=Tc=Td  Se consume trabajo exterior al ceder calor al foco frío. Vc W2 Q2 R T2 ln Vd 12CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (V)  Tiempo 4 .-  Culata del cilindro: material aislante.  Compresión adiabática del gas del punto d al punto a hasta alcanzar la temperatura T1=Ta=Tb  No se produce intercambio de calor con el exterior  La ecuación de estado para el gas es: γ 1 Ta Vd T1 Td Va T2 13CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (VI) Al haberse completado un ciclo podemos comparar los tiempos 2 y 4 y deducir la relación de volúmenes: γ 1 γ 1 T1 Vc Vd T2 Vb Va Vc Vd Vc Vb Vb Va Vd Va Vc R T2 ln Q2 Vd T2 ηc 1 1 1 Q1 1 Vb T1 R T1 ln Va El rendimiento del ciclo de Carnot (ƞc) depende únicamente de las temperaturas de los focos frío y caliente (en grados Kelvin) y cuanto mayor sea la diferencia entre éstas, mayor será la eficiencia 14CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (VII) Simulación del ciclo de Carnot 15CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (VIII) Se puede demostrar que cualquier motor térmico que funcione según un ciclo reversible entre los mismos focos de calor tiene el mismo rendimiento. 16CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Ciclo de Carnot (IX) ___EJERCICIO___  Halla el rendimiento de un ciclo de Carnot que trabaja entre 20ºC y 900ºC Tc 900 273 1173K TF 20 273 293K TF 293 ηc 1 1 0.75 75% Tc 1173 17CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Eficiencia térmica según el segundo principio de la termodinámica (I)  Definiremos el RENDIMIENTO o EFICIENCIA TÉRMICA SEGÚN EL SEGUNDO PRINCIPIO (ƞs) como la relación entre las eficiencias térmica real (ƞt) y de Carnot (ƞc) . Da idea de la eficiencia de la máquina respecto de la máxima teórica, la de Carnot. η ηs t ηc  En consecuencia, como el rendimiento no puede ser mayor que la unidad (una máquina no puede tener una eficiencia mayor a la teórica de Carnot): • Si ƞt < ƞc , la máquina es irreversible pero real • Si ƞt = ƞc , la máquina es reversible y por ello imposible • Si ƞt > ƞc , la máquina es totalmente imposible 18CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Eficiencia térmica según el segundo principio de la termodinámica (II) ___EJERCICIO___  Una máquina térmica trabaja entre dos fuentes térmicas a 200ºC y 30ºC respectivamente. Si extrae una energía en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fría, calcula su eficiencia según el segundo principio y el trabajo o energía perdidos en las irreversibilidades Tc 200 273 473 K TF 30 273 303 K Trabajo realizado W QC QF 300MJ 200MJ 100MJ W 100MJ ηt 0.33 33% Eficiencia térmica Q C 300MJ TF 303 ηc 1 1 0.36 36% Eficiencia Carnot Tc 473 19CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Eficiencia térmica según el segundo principio de la termodinámica (III) ___EJERCICIO___  Una máquina térmica trabaja entre dos fuentes térmicas a 200ºC y 30ºC respectivamente. Si extrae una energía en forma de calor QC=300MJ de la fuente caliente y cede QF=200MJ a la fuente fría, calcula su eficiencia según el segundo principio y el trabajo o energía perdidos en las irreversibilidades ηt 0.33 ηs 0.92 92% Eficiencia según el ηc 0.36 segundo principio Aunque la eficiencia térmica parezca baja, es una buena máquina ya que tiene una eficiencia respecto de la máxima del 92% y , por tanto, sólo pierde el 8%. Esto quiere decir que si la máquina fuera reversible haría un trabajo de Wc 300MJ·0.36 108MJ El trabajo de pérdidas será Wp Wc - W 108MJ - 100MJ 8MJ 20CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Entropía (I) ¿A dónde va la energía en forma de calor que se Al ambiente desprende en el que envuelve Al Universo rozamiento, o al al sistema frotarnos las manos?  Cuando el calor pasa de un sistema a otro de menor Tª, algo tiene que aumentar para contrarrestar el descenso de Tª; ya que la energía tiene que conservarse. Eso es la VARIACIÓN o FLUJO DE ENTROPÍA (ΔS) Qi Q T1 Δ S1 T2 Δ S2 ... ΔS [J/K] Ti  En los sistemas adiabáticos la variación de la entropía es nula ya que no hay intercambio de energía en forma de calor con el exterior.  En los procesos reversibles la entropía no varía y en los irreversibles aumenta ya que se pierde calor 21CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Entropía (II)  Para representar los ciclos en las máquinas térmicas se utilizan también diagramas TS 1 2  En la máquina de Carnot, las expansiones o W compresiones isotérmicas son horizontales y las adiabáticas verticales. 3 4  El área encerrada por la curva representa el trabajo realizado o el calor intercambiado entre los focos caliente y frío W Tc Δ S1-2 Tf Δ S3-4 Qc - Qf 22CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Entropía (III)  En una máquina de Carnot, máquina reversible, la variación de entropía es nula; no se varía la entropía del Universo. Toda la entropía que pierde la fuente caliente al ceder calor, la gana el Universo Qc Δ S1-2 Tc Δ St Δ S1-2 Δ S3-4 0 Qf ( Δ S1- 2 Δ S3- 4 ) Δ S3-4 Tf  Si el sistema es irreversible, la variación total de entropía el trabajo perdido en las irreversibilidades será: Δ St Δ Sc Δ Sf W Tf Δ St 23CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Entropía (IV) ___EJERCICIO___  Una máquina térmica real trabaja entre dos fuentes térmicas de 30ºC y 500ºC. En cada ciclo la máquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fría. Determina la variación total de entropía del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades Qh 350MJ Δ Sc 0.45 MJ/K Th 273 500 Qf 200MJ Δ Sf 0.66 MJ/K Tf 273 30 Δ St Δ Sc Δ Sf 0.45MJ/K 0.66MJ/K 0.21 MJ/K 24CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Entropía (V) ___EJERCICIO___  Una máquina térmica real trabaja entre dos fuentes térmicas de 30ºC y 500ºC. En cada ciclo la máquina extrae 350MJ y cede 200MJ a la fuente fría. Determina la variación total de entropía del Universo en cada ciclo y el trabajo perdido en las irreversibilidades El resultado anterior indica que el Universo aumenta su entropía en 0.21MJ/K mientras que la máquina pierde la misma cantidad de entropía. Esto SIEMPRE PASA en los sistemas irreversibles W Tf Δ St (273 30)K·0.21 MJ/K 62.81MJ 25CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor térmico  MOTOR TÉRMICO es una máquina que tiene como misión transformar energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo Combustión de ENERGÍA CALORÍFICA sustancias COMBUSTIBLES MOTOR DE COMBUSTIÓN ENERGÍA MECÁNICA 26CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor térmico: clasificación (I) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTIÓN MOTOR DE COMBUSTIÓN MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA INTERNA El calor desprendido al quemarse el La combustión se produce en una cámara combustible es transmitido a un fluido interna del propio motor y son los gases intermedio, el cual produce energía mecánica generados los que causan directamente, por a través de una máquina alternativa o rotativa expansión, el movimiento de los mecanismos del motor MÁQUINAS DE VAPOR TURBINAS DE VAPOR MOTORES DE EXPLOSIÓN MOTORES DIESEL TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO El problema que presentan es que se pierde más calor del que se genera en las paredes TURBOHÉLICES de la caldera y conductos … 27CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor térmico: clasificación (II) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTIÓN MOTOR ALTERNATIVO MOTOR ROTATIVO MOTOR DE CHORRO El fluido de trabajo actúa sobre El fluido actúa sobre pistones El fluido es el encargado de pistones dotados de movimiento rotantes o sobre turbinas producir el empuje por el alternativo de subida y bajada principio de acción y reacción 28CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión externa: MÁQUINA A VAPOR (I) Máquina de Watt Máquina de Newcomen 29CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión externa: MÁQUINA A VAPOR (II) Partes de una máquina a vapor simple 30CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión externa: MÁQUINA A VAPOR (III) Detalle de la caja de distribución FUNCIONAMIENTO 31CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 32CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (II) 33CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (III) CICLO DE 4 TIEMPOS Primer tiempo o admisión: El descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado (MEP) o el aire en motores de encendido por compresión (MEC). La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente. Segundo tiempo o compresión: Al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. 34CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (IV) CICLO DE 4 TIEMPOS Tercer tiempo o explosión: Al llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado (MEP), salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta con jeringa el combustible que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. En este tiempo el cigüeñal da 180º mientras que el árbol de levas da 90º, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo, que se almacena en forma de energía mecánica mediante un volante de inercia, del cual se toma la necesaria para realizar los otros tres tiempos. 35CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (V) CICLO DE 4 TIEMPOS Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistón empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 180º y su carrera es ascendente. Al completar el ciclo se habrán producido 4 carreras de pistón y 2 vueltas completas del cigüeñal. FUNCIONAMIENTO 36CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 4 TIEMPOS (VI) FUNCIONAMIENTO PARTES Y FUNCIONAMIENTO 37CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (I) DIFERENTES PARTES 38CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (II) CICLO DE 2 TIEMPOS Fase de admisión-compresión: El pistón se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisión. Mientras la cara superior del pistón realiza la compresión en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla de aire y combustible a través de la lumbrera. Para que esta operación sea posible el cárter tiene que estar sellado. Fase de potencia-escape: Al llegar el pistón a su punto muerto superior se finaliza la compresión y se provoca la combustión de la mezcla gracias a una chispa eléctrica producida por la bujía. La expansión de los gases de combustión impulsan con fuerza el pistón que transmite su movimiento al cigüeñal a través de la biela. 39CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (III) FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO 40CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (IV) DIFERENCIAS CON EL MOTOR DE 4 TIEMPOS  Realiza 2 carreras de pistón (1 vuelta de cigüeñal), en lugar de 4.  Ambas caras del pistón realizan una función simultáneamente, en el motor de cuatro tiempos únicamente está activa la cara superior.  La entrada y salida de gases al motor se realiza a través de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). No existen válvulas que abren y cierran el paso de los gases en los motores de cuatro tiempos. El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras.  El cárter del cigüeñal debe estar sellado y cumple la función de cámara de precompresión. En el motor de cuatro tiempos, por el contrario, el cárter sirve de depósito de lubricante.  La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible. 41CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTOR DE EXPLOSIÓN DE 2 TIEMPOS (V) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR DE 4 TIEMPOS Ventajas  El motor de dos tiempos no precisa válvulas de los mecanismos que las gobiernan, por lo tanto es más liviano y de construcción más sencilla, por lo que resulta más económico.  Al producirse una explosión por cada vuelta del cigüeñal, desarrolla más potencia para una misma cilindrada y su marcha es más regular.  Pueden operar en cualquier orientación ya que el cárter no almacena el lubricante. Inconvenientes  Este motor consume aceite, ya que la lubricación se consigue incluyendo una parte de aceite en el combustible. Este aceite penetra con la mezcla en la cámara de combustión y se quema produciendo emisiones contaminantes y suciedad dentro del cilindro que pueden afectar a la bujía impiendo el correcto funcionamiento.  Su rendimiento mecánico es inferior ya que la compresión, en la fase de compresión- admisión, no es enteramente efectiva hasta que el pistón mismo cierra las lumbreras de transferencia y de escape durante su recorrido ascendente. Esta pérdida de compresión también provoca una pérdida de potencia.  Durante la fase de potencia-escape, parte del volumen de mezcla sin quemar (mezcla limpia), se pierde por la lumbrera de escape junto a los gases resultantes de la combustión provocando no solo una pérdida de rendimiento, sino más emisiones contaminantes. 42CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: MOTORES MEP y MEC MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO (MEP)  Pueden ser de 2 ó 4 tiempos.  El combustible se mezcla con aire en un carburador o mediante un sistema de inyección antes de entrar en el cilindro.  El encendido es por chispa que suministra una bujía.  El combustible es gasolina. MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MEC)  Pueden ser de 2 ó 4 tiempos.  En el tiempo de admisión entra aire en el cilindro que es fuertemente comprimido elevándose su temperatura.  El encendido se produce por la inyección de combustible sobre este aire comprimido y caliente, provocando su autoinflamación.  El combustible es gasóleo. Una mejora sustancial para ambos motores es la sobrealimentación, que consiste en introducir en los cilindros más aire y combustible de que aceptan de forma natural. Se aumenta la potencia, o se reduce el tamaño del motor para una misma potencia. 43CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: CICLO TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEP (I) CICLO OTTO TEÓRICO (MEP)  Tramo 0-1: Admisión de la mezcla: Se realiza a presión y Tª constantes, las del exterior. El volumen pasa de V0 a V1  Tramo 1-2: Compresión adiabática. Disminuye a un volumen V2 con lo que aumenta la presión y Tª (P2 y T2). 3  Tramo 2-3: Explosión y absorción inmediata de calor. La combustión hace Qc que se aumenten la presión y Tª de forma instantánea hasta P3 y T3 manteniendo el 2 volumen. Esto hace que se ceda calor del 4 combustible al motor. QF  Tramo 3-4: Expansión adiabática del 0 1 pistón. Los gases de la combustión se expanden en el cilindro hasta V1 por lo que descienden presión y Tª (P4 y T4).  Tramo 4-1: Escape de los gases. Al abrirse la válvula de escape descienden bruscamente presión y Tª hasta P1 y T1 Nota.- tiene 6 pasos aunque se produce en 4 con lo que el motor cede calor al exterior. carreras de pistón  Tramo 1-0: Expulsión de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 44CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: CICLO TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEP (II) CICLO OTTO TEÓRICO (MEP)  Es un ciclo cerrado ya que las condiciones de presión, volumen y temperatura del final son las iniciales.  Se produce aportación calórica del combustible al motor y cesión de calor del motor al exterior.  La diferencia entre estas energías es el trabajo mecánico realizado que se manifiesta en la fase de expansión y provoca que el pistón haga girar al cigüeñal. En el resto de tramos es éste último quien arrastra al pistón gracias al volante de inercia. El rendimiento teórico del ciclo de Otto será: T4 T1 1 VB ηOTTO 1 1 donde r T3 T 2 rγ 1 VA donde es el exponente adiabático (1.4 en los gases ideales) y r es la relación entre el volumen barrido por el pistón VB y el volumen de la cámara de combustión VA 45CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: CICLO TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (I) CICLO DIESEL TEÓRICO (MEC)  Tramo 0-1: Admisión: Se realiza a presión y Tª constantes, las del exterior. El volumen pasa de V0 a V1  Tramo 1-2: Compresión adiabática. Disminuye a un volumen V2 con lo que aumenta la presión y Tª (P2 y T2). 2 Qc  Tramo 2-3: Absorción de calor. Manteniendo la 3 presión cte, la combustión progresiva del combustible que se inyecta hace que se ceda calor del combustible al motor.  Tramo 3-4: Expansión adiabática del pistón. Los gases de la combustión se expanden en el 4 cilindro hasta V4 por lo que descienden presión QF y Tª (P4 y T4). 0  Tramo 4-1: Cesión de calor. Al abrirse la válvula 1 de escape descienden bruscamente presión y Tª hasta P1 y T1 con lo que el motor cede calor al exterior.  Tramo 1-0: Expulsión de los gases. El volumen pasa de V1 a V0 46CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: CICLO TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (II) CICLO DIESEL TEÓRICO (MEC) El rendimiento teórico del ciclo Diesel será: γ 1 rC - 1 VB V3 ηDIESEL 1 donde r r rγ 1 γ rC 1 VA C V2 donde es el exponente adiabático (1.4 en los gases ideales) y r es la relación volumétrica y rC es la relación de combustión. El rendimiento del ciclo diesel teórico es mayor que el de otto teórico, ya que aunque el poder calorífico del gasoil es ligeramente inferior, la mezcla con aire compensa esto y, además, la relación de compresión del ciclo diesel es mucho mayor que la del ciclo otto (por estar éste limitado por la detonación). No obstante, los ciclos reales difieren notablemente de los teóricos. 47CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: CICLO TERMODINÁMICO DE LOS MOTORES MEC (III) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR MEP Ventajas  Mayor rendimiento térmico; es decir, mayor cantidad de calor transformado en energía mecánica. (50% frente al 30% de los MEP).  Menor consumo y menor coste del combustible.  Vida más larga del motor.  Menor contaminación de los gases de escape , aunque emiten partículas de azufre. Inconvenientes  Este motor es más pesado.  Mayor coste de construcción, auque se amortiza antes gracias a su mayor durabilidad.  Más ruidoso a causa de las fuertes explosiones en la combustión. 48CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (I)  DIÁMETRO ó CALIBRE (D) es el diámetro interior del cilindro medido en mm.  CARRERA (S) es el espacio que recorre el pistón entre el PMS y el PMI medido en mm.  VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (VC) es el volumen que ocupa la mezcla cuando el pistón está en el PMS en la fase de compresión.  RÉGIMEN DE GIRO (n) es el número de revoluciones por minuto (rpm) a que gira el motor. 49CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (II)  RELACIÓN CARRERA-DIÁMETRO (S/D) es el cociente S Relación carrera- diámetro D  CILINDRADA UNITARIA (VD) es el volumen del cilindro entre el PMS y el PMI medido en cc. π D2 S VD 4000  CILINDRADA TOTAL (VT) es el producto de la cilindrada unitaria por el número de cilindros (Z) que tiene el motor. VT Z VD 50CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (III)  RELACIÓN VOLUMÉTRICA DE COMPRESIÓN (r) es el cociente entre el volumen ocupado por la mezcla cuando el pistón está en el PMI y el que ocupa cuando está en el PMS. VD VC r VC Es mayor en los motores diesel que en los de gasolina 51CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (IV) ___EJERCICIO___  Calcula la cilindrada unitaria y la cilindrada total de un motor de cuatro cilindros sabiendo que su diámetro es de 80mm y su carrera de 93mm. π D2 S π 80 2 mm 2 93mm VD 467.23 cc 4000 4000 VT Z VD 4 467.23cc 1868.93 cc 52CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PAR MOTOR y POTENCIA  PAR MOTOR es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor cuando éste gira. Se obtiene en el cigüeñal y varía con el régimen de giro del motor.  POTENCIA es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Es consecuencia directa del par motor y del régimen de giro. Es menor en los motores diesel que en los de gasolina, para una misma cilindrada PÚTIL Γω 53CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (IV) ___EJERCICIO___  Compara dos motores gasolina y dos motores diesel en cuanto a sus parámetros y magnitudes características 54CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (V) ___EJERCICIO___  Un automóvil gasta 8l de gasolina cada 100Km cuando circula a una velocidad constante de 90Km/h y desarrolla 40Kw de potencia. Si la gasolina tiene una densidad de 700Kg/m3 y un poder calorífico de 43472KJ/Kg, determina el rendimiento del motor. Trabajo consumido en 100Km Q W PC m 43472 KJ/Kg 0.7 Kg/l 8l 243443 KJ (energía calorífica del combustible) s s 100 Km V t 1.11h 4000s tiempo durante el que se ha t v 90 Km/h consumido trabajo W 243443 KJ P 60.86KW Potencia consumida t 4000 s W PUTIL 40 KW ηt 0.66 66% Q PCONSUMIDA 60.86 KW 55CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (VI) ___EJERCICIO___  En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cuál será su potencia? ¿Cuánta gasolina consumirá en l/h si tiene un rendimiento del 35%? ¿Cuál será el par motor? (poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) W 20 J PÚTIL n 4000 1.33KW Potencia útil en 4000 ciclos t 60s W PUTIL PUTIL 1.33 KW ηt PCONSUMIDA 3809.52 W Q PCONSUMIDA ηt 0.35 WCONSUMIDO PCONSUMIDO t 3809.52W 3600s 13714272J Trabajo consumido por hora Q W PC m 45980 KJ/Kg 0.7 Kg/l 32186 KJ/l Poder calorífico en J/l 13714.272KJ consumo 0.43 l 32186 KJ/l 56CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (VII) ___EJERCICIO___ (continuación)  En un motor de 2T se produce un trabajo neto de 20J en cada ciclo, deducidos del diagrama PV real. Si el motor gira a 4000 rpm cuál será su potencia? ¿Cuánta gasolina consumirá en l/h si tiene un rendimiento del 35%? ¿Cuál será el par motor? (poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) 2π 2π ω n 4000 418.88 s -1 Velocidad angular t 60 s PUTIL 1.33 KW PÚTIL Γω Γ 3.18 Nm ω 418.88 rad/s 57CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: PARÁMETROS DEL MOTOR (VIII) ___EJERCICIO___  El motor de una motocicleta tiene un par motor máximo de 120Nm a 4000rpm cuando va a una velocidad de 144Km/h. ¿Cuáles son la potencia desarrollada y el consumo en l/100Km en estas condiciones, si el rendimiento del motor es del 40%? (poder calorífico de la gasolina es 45980KJ/Kg y su densidad 700Kg/m3) 2π 2π ω n 4000 418.88 s -1 t 60 s PÚTIL Γ ω 120Nm 418.88 rad/s 50265.48 W PUTIL 50265.48 W s 100Km PCONSUMIDA 125663.7 W t 0.6994h 2500s ηt 0.4 v 144 Km/h WCONSUMIDO PCONSUMIDO t 125663 .7 W 25 00s 314159 .26 KJ 314159.26 KJ consumo a los 100Km 9.76 l 45980 KJ/Kg 0.7 Kg/l 58CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor alternativo de combustión interna: RENDIMIENTO  RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO definido porque el motor no se llena completamente de aire. En los motores MEP se alcanzan rendimientos del 95%.  RENDIMIENTO TÉRMICO relaciona la potencia de motor con la potencia liberada por el combustible puesto en juego. (incluye las pérdidas de calor y el rendimiento termodinámico del ciclo). En los motores MEP se alcanzan rendimientos del 30% mientras que en los MEC del 50%.  RENDIMIENTO MECÁNICO debido a los órganos mecánicos adyacentes al motor. En el mejor de los casos será del 85 ó 90%. 59CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión externa: TURBINA DE VAPOR (I) Convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas o álabes, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Muy utilizadas en centrales eléctricas y propulsión de buques 60CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión externa: TURBINA DE VAPOR (II) El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su presión y temperatura reduciendo su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. DETALLE ÁLABES FUNCIONAMIENTO CLASIFICACIÓN 61CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: MOTOR WANKEL (I) COMPONENTES EXTERIORES El motor Wankel utiliza rotores en vez de los pistones. 62CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: MOTOR WANKEL (II) COMPONENTES INTERIORES Se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa; es como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un pistón triangular que realiza un giro de centro variable. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que DESPIECE gira ya con un centro único. 63CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: MOTOR WANKEL (III) FUNCIONAMIENTO Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire- combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape. FUNCIONAMIENTO 64CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: MOTOR WANKEL (IV) FUNCIONAMIENTO 65CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: MOTOR WANKEL (V) VENTAJAS E INCONVENIENTES RESPECTO DEL MOTOR MEP Ventajas  Menos piezas móviles. Mayor fiabilidad.  Suavidad de la marcha. El sentido de giro es único.  Menor velocidad de rotación. Mayor fiabilidad.  Menos vibraciones y ruido.  Menor peso y volumen. Inconvenientes  Emisiones muy contaminantes. No se ajusta a la normativa.  Problemas de estanqueidad.  Mantenimiento caro al no estar muy distribuido.  Difícil sincronización. 66CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (I) COMPONENTES Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas 67CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Motor rotativo de combustión interna: TURBINAS DE GAS DE CICLO ABIERTO (II) FUNCIONAMIENTO DE UN TURBORREACTOR Hay una admisión de aire que es comprimido por un compresor solidario al eje de la turbina y dirigido a la cámara de combustión, donde mezclado con combustible se produce una combustión continua. Los gases generados a gran velocidad y Tª son expulsados hacia el exterior pasando por los álabes de una turbina. Por el principio de acción-reacción se produce empuje en sentido contrario. FUNCIONAMIENTO 68CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica (I)  MÁQUINA FRIGORÍFICA es cualquier dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar haciéndola inferior a la de su entorno. Para ello tiene que consumir trabajo. REFRIGERADOR MÁQUINA FRIGORÍFICA BOMBA DE CALOR 69CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica (II) TC > TF FOCO QC FOCO MOTOR TÉRMICO (TC) QF (TF) El calor pasa del foco caliente al frío. La diferencia de calor se emplea en producir trabajo W = Qc - QF TC > TF FOCO FOCO MÁQUINA QC QF FRIGORÍFICA (TC) (TF) El calor se extrae del foco W = Qc - QF frío y se manda al caliente. La diferencia de calor es el trabajo consumido Para que se produzca trabajo neto la máquina térmica debe funcionar entre 2 focos a temperaturas diferentes, de lo contrario no hay tránsito de calor 70CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (I)  La más utilizada es la de compresor.  Funciona según un ciclo cerrado en el que un gas es comprimido por lo que sufre una condensación para después sufrir un proceso de evaporación.  Durante la evaporación se extrae el calor del lugar a refrigerar (fuente fría) y en la condensación se cede calor hacia el exterior (fuente caliente)  Consta de 4 partes: compresor, condensador, válvula de expansión (o tubo capilar) y evaporador. PARTES DEL REFRIGERADOR 71CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (II)  El gas pertenece al grupo de los fluidos criogénicos:  Calor latente de vaporización elevado  Presión de evaporación mayor que la atmosférica  Otras características del gas deben ser:  No fácilmente inflamable  No provocar explosiones  No tóxico ni contaminante (antes se usaban CFC’s)  No corrosivo de los metales  Tener cierta viscosidad que impida fugas fortuitas. 72CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (III) CICLO TÉRMICO. DIAGRAMA P-V Proceso 1-2: Compresión adiabática del gas desde Tf=T1=T4 hasta Tc=T2=T3. El compresor aspira el gas procedente de la evaporación, disminuye su presión acelerando su evaporación y al otro lado comprime adiabáticamente hacia el condensador favoreciendo la condensación. Se consume trabajo. Proceso 2-3: Compresión isoterma del gas a Tc. El gas licua en el condensador y se cede QC al foco caliente ya que la compresión ha elevado la Tª de la máquina por encima de la del foco caliente. Al haber cambio de estado la Tª se mantiene y se cede el calor latente de evaporación. Proceso 3-4: Expansión adiabática del gas desde Tc hasta Tf. Disminuyen Tª y presión del líquido empezando la evaporación Proceso 4-1: Expansión isotérmica del gas a Tf en el evaporador mientras se extrae calor Qf del foco frío, gracias a que la Tª del gas es menor a la del recinto a refrigerar. Al perder presión el líquido se evapora absorbiendo calor. Al haber cambio de estado la Tª se mantiene y se absorbe el calor latente de evaporación. 73CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (IV) CICLO TÉRMICO. DIAGRAMA P-V Los procesos 1-2 y 2-3 son de compresión para licuar el gas. Se producen en el compresor y condensador respectivamente. Los procesos 3-4 y 4-1 son de expansión para evaporar el líquido. Se producen en la válvula de expansión y evaporador, respectivamente. Los procesos 2-3 y 4-1 son isotermos; no hay cambio de Tª pero si de estado, por lo que se produce en la máquina cesión y absorción del calor latente de evaporación, respectivamente. Los procesos 1-2 y 3-4 son adabáticos; al variar la presión varía la Tª hasta Tc y Tf respectivamente. FUNCIONAMIENTO 74CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (V)  COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIÓN (COP) es el cociente del calor que se extrae del foco frío Qf y el trabajo aportado en la compresión W QF QF TF COP W QC QF TC TF  Se calcula de forma inversa a la eficiencia de una máquina térmica generadora de trabajo.  Podría ser mayor a la unidad, lo que significaría no un rendimiento mayor del 100% sino que nunca el calor extraído por unidad de trabajo será mayor al obtenido en la máquina reversible de Carnot, que es ideal.  En cualquier caso, los procesos no son perfectamente reversibles, la compresión no es ideal y en la condensación se pierde energía, por lo que nunca se realiza el ciclo ideal de Carnot.  Interesa extraer la mayor cantidad posible de calor invirtiendo el menor trabajo posible. 75CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Máquina Frigorífica o Refrigerador (VI) ___EJERCICIO___  Determina la potencia que tiene que tener un refrigerador con un COP=6 para fabricar cubitos a partir de 5l de agua a 20ºC en un tiempo de 10 minutos. El agua tiene un calor específico de 4.18 KJ/KgºC y un calor latente de fusión de 333.5 KJ/Kg Q1 m Ce ΔT 5Kg 4.18KJ/Kgº C 20º C 418 KJ Calor extraído hasta los 0ºC Q2 m Cl 5Kg 333.5 KJ/Kg 1667 KJ Calor extraído para congelar Q Q1 Q2 418KJ 1667KJ 2085KJ QF QF 2085 KJ COP W 347.85 KJ W COP 6 W 347.85 KJ P 0.58KW t 600 s 76CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Bomba de calor (IV) ___EJERCICIO___  En una cocina, un refrigerador extrae 90KJ por minuto de calor del espacio refrigerado. Si su COP es 1.8 determina la potencia eléctrica consumida por el refrigerador y el calor cedido a la cocina por minuto QF QF 90KJ COP W 50KJ W COP 1.8 W 50KJ P 0.833KW t 60s QC 1 COP W 1 1.8 50KJ 140KJ 77CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Bomba de calor (V)  Un refrigerador doméstico con un motor de 450W de potencia y un COP de 2.5 tiene que enfriar hasta los 8ºC 10Kg de fruta que se encuentra inicialmente a 20ºC. ¿Cuánto tiempo tardará en hacerlo si el calor específico de la fruta es 4.2 KJ/KgºC? Q1 m Ce ΔT 10Kg 4.2KJ/Kgº C (20º C - 8º C) 504 KJ Calor extraído hasta los 8ºC QF QF 504 KJ COP W 201.6 KJ W COP 2.5 W W 201.6KJ P t 448 s t P 450W 78CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Bomba de calor (I)  BOMBA de CALOR es un refrigerador que se aprovecha el calor cedido al condensador para calentar un recinto, actuando como calefactor.  Puede funcionar en sentido inverso, mediante una válvula reversible a la salida del compresor, haciendo pasar el aire por el evaporador para obtener refrigeración. 79CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Bomba de calor (II)  COEFICIENTE DE EFICIENCIA o DE OPERACIÓN (COP) es el cociente del calor que se extrae del foco frío Qf y el trabajo aportado en la compresión W. En este caso interesa conocer el calor que se cede al foco caliente Qc QF QC W COP W W donde el calor cedido por el condensador al exterior es la suma del calor obtenido del evaporador más el trabajo realizado por el compresor QC QC QF W W 1 COP 80CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO
    • Bomba de calor (III) ___EJERCICIO___  Una bomba de calor funciona según el ciclo de Carnot entre dos focos a 25ºC y 5ºC, respectivamente. La energía suministrada al sistema es 1KWh. Calcula la cantidad de calor extraída del foco frío, la que se cede al foco caliente y el COP Tc 25 273 298 K TF 278K COP 13.9 TF 5 273 278 K TC TF 20K 864Kcal QF COP W 13.9 1KWh 12010Kcal 1KWh QC W Q F 864Kcal 12010Kcal 12874Kcal 81CONTENIDO TERMODINÁMICA MOTOR TÉRMICO M. ALTERNATIVOS M. ROTATIVOS CIRCUITO FRIGORÍFICO