CICLOS T

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CICLOS TÉRMICOS . CICLO DE CARNOT
Procesos reversibles e irreversibles
Un proceso es reversible cuando con un cambio muy
pequeño en el ambiente podemos hacer que recorra
su trayectoria a la inversa. Este hecho en la
práctica es imposible ya que todos los procesos
que ocurren en la naturaleza son irreversibles
las personas crecen pero no se puede ir hacía
atrás. Si ponemos en contacto dos cuerpos con
diferente temperatura el más cliente se enfría y
el de menos temperatura se calienta. Afirmamos
que una transformación termodinámica es
reversible cuando, en cada momento de la
transformación, las temperaturas y presiones se
encuentran en equilibrio, de modo que una pequeña
variación de éstas variables determina el sentido
de la transformación. De esta definición
deducimos que a) Puede invertirse el sentido de
una transformación reversible por una variación
infinitamente pequeña de los parámetros que la
definen. b) Supuesta una transformación
reversible de un estado de presión y temperatura
A a un estado B, siempre se puede suponer la
transformación inversa de B a A, pasando
exactamente por los mismos estados que la primera.
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El trabajo se obtiene como el área bajo la curva
en una gráfica pV. El trabajo depende del camino
seguido y no solamente de los estados inicial y
final. En la gráfica se pueden ver tres caminos
distintos (iaf), (ibf) y (if), en cada caso el
área es diferente. Cuando el estado inicial y
final coinciden, se dice que la transformación o
proceso es cerrado (ciclo). Si el estado inicial
y final son diferentes se dice que es abierto.
Nuestro sistema debe regresar a su estado inicial
para que, repitiendo la serie de transformaciones
pueda llegar a producir trabajo. Ha de realizar
un ciclo.
Motor térmico. Máquina frigorífica.
Par que se pueda producir un trabajo neto, la
máquina térmica que diseñemos ha de funcionar
entre dos focos de calor, uno caliente, del que
extraeremos calor Qc y otro frío que recibe calor
Qf. La diferencia Qc - Qf será el trabajo
realizado. El sistema donde se realiza este
proceso se llama motor térmico. En caso contrario
nuestra máquina térmica debería consumir trabajo,
recibe el nombre de máquina frigorífica.
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Motor térmico
Máquina frigorífica
La máquina frigorífica se puede considerar como
un motor térmico que funciona en sentido inverso
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Ciclo de Carnot.

• En un motor térmico existe un intercambio de
  calor del foco caliente al frío, cuanto menor sea
  este intercambio, más cantidad de calor se
  transforma en trabajo.
• Carnot abordo el problema del rendimiento del
  motor térmico sobre los siguientes hechos
• Al motor se le suministra energía en forma de
  calor a temperatura elevada.
• El calor realiza trabajo mecánico.
• El motor cede calor a temperatura inferior.
• Así obtuvo la expresión del rendimiento máximo de
  un motor térmico, independientemente del diseño
  que sirve para cualquier máquina térmica.

Las temperaturas se expresan en grados Kelvin.
El rendimiento del ciclo de Carnot depende
únicamente de las temperaturas del foco frío y
del foco caliente.
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MOTORES TÉRMICOS . CLASIFICACIÓN

• Un motor térmico es una máquina que transforma la
  energía térmica en energía mecánica que sea
  directamente utilizable para producir trabajo.
• Los mototes que utilizan la energía térmica
  procedente de los combustibles son los motores de
  combustión.
• En función del lugar donde se realiza la
  combustión se clasifican en
• Motores de combustión externa. En ellos el calor
  producido por la quema del combustible, se
  trasmite a un fluido intermedio, el cual produce
  la energía mecánica a través de una máquina
  alternativa o rotativa. Ejemplo máquinas de
  vapor y turbinas de vapor.
• Motores de combustión interna. En ellos la
  combustión se produce en una cámara interna del
  propio motor, y son los gases generados los que
  causan directamente, por explosión, el movimiento
  de los mecanismos del motor. Ejemplo motores de
  explosión y diesel.
• Otra clasificación será en función de la forma en
  que se obtiene la energía mecánica.
• -Motores alternativos, en ellos el fluido de
  trabajo actúa sobre pistones dotados de
  movimiento alternativo de subida y bajada.

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-Motores alternativos, en los que el fluido actúa
sobre pistones rotantes o sobre
turbinas. -Motores de chorro, en los que el
fluido es el encargado de producir el empuje por
el principio de acción y reacción.
Motor de combustión interna alternativo
Motor de combustión interna rotativo
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MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA. MÁQUINAS MOTRICES
DE VAPOR
Las máquinas motrices de vapor fueron los
primeros ingenios capaces de transformar de
manera práctica la energía térmica de los
combustibles en energía mecánica. En su variante
de turbina se emplean en las centrales térmicas y
nucleares.
El agua que proviene de la bomba entra en la
caldera en su fase líquida, a alta presión y
temperatura cercana a la del ambiente. En la
caldera el agua absorbe el calor producido en la
combustión, eleva su temperatura hasta la
ebullición y se obtiene así un vapor. El vapor
entra en los cilindros o en la turbina que
producen la energía mecánica. Cuando el vapor ha
perdido su energía, pasa al
condensador, donde va bajando su temperatura y
vuelve al estado líquido. Después el vapor ya
licuado va a la bomba donde se eleva su presión
antes de entrar de nuevo en la bomba.
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Motor alternativo de combustión externa
Una máquina de vapor consta de un cilindro que
tiene en su interior un émbolo o pistón que lo
divide en dos zonas. El cilindro se mueve de
forma alternativa gracias al vapor que llega de
la caldera, transformando su movimiento lineal en
rotatorio por un sistema biela-manivela del que
forma parte un volante de inercia. Por encima del
cilindro se desplaza un distribuidor que está
unido al volante con dirección de movimiento
opuesto al del émbolo. Con ello se consigue el
movimiento alternativo continuo.
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Motor rotativo de combustión externa. Turbina
Aquí el vapor se expansiona en una turbina, pasa
a través de unas toberas en las cuales pierde
presión y gana velocidad, a la vez que se orienta
el flujo de manera que incida tangencialmente
sobre la turbina. La turbina está formada por un
rodete que tiene insertados un conjunto de álabes
que absorben la energía produciendo la rotación
del eje.
Las turbinas de vapor se utilizan en centrales de
producción de la energía eléctrica y en la
propulsión de buques.
Ciclo de un motor de combustión externa
Para calcular el rendimiento empleamos la fórmula
Siendo Tbm y Tam las temperaturas medias del foco
caliente y frió.
Habitualmente se realizan modificaciones con
objeto de mejorar el rendimiento global de la
instalación. Las más importantes
son -Recalentamiento del vapor de salida de la
turbina. -Precalentamiento del agua a la entrada
de la caldera mediante la extracción de una parte
del vapor antes de su total expansión.
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MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Motores rotativos. Turbina de gas
Analizamos aquellos motores en que la expansión
de los gases procedentes de la combustión actúa
sobre una turbina. La de la figura es de tipo
axial.

• Los principales elementos son
• Compresor. Comprime el aire transformando la
  energía cinética del aire en energía de presión.
• Cámara de combustión. Lugar donde llega el aire
  comprimido, al que se le inyecta combustible
  pulverizado mediante los inyectores. Los gases de
  la combustión son lanzados contra los álabes de
  la turbina a través de las toberas que
  transforman la energía de presión en cinética.

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-Turbina. El (gas) que es una mezcla de aire con
productos de la combustión es recibido por los
álabes del rotor y pierde su energía cinética
para transformarla en mecánica, que a su vez es
aprovechada para mover el propio compresor.
Rendimiento de la turbina de gas.
El rendimiento teórico de una turbina de gas de
ciclo abierto depende de la presión de entrada
(alrededor de 1 bar) y la de salida del compresor
donde rp es la relación de presiones del aire
saliente y del aire entrante rp p2 / p1, y ? es
el exponente adiabático (1,4 para el gas ideal).
La expresión es
Motores de combustión interna alternativos.
Transforman la energía térmica en energía
mecánica mediante pistones, deslizándose con
movimiento lineal por cilindros. En el cilindro
se desliza el pistón con movimiento alternativo.
El pistón con forma de baso invertido, está unido
a la biela mediante un bulón. La biela trasmite
el movimiento del pistón a la manivela del
cigüeñal , el cual está soportado por cojinetes
sobre la bancada, trasformando el movimiento
lineal en rotativo.
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La entrada del fluido de trabajo y la salida de
los gases de combustión se realiza por las
válvulas de admisión y escape, el movimiento de
apertura y cierre de estas está controlado por
unos dispositivos mecánicos sincronizados es lo
que se denomina distribución. La distribución
parte del árbol de levas, conducido por el
cigüeñal. El giro de las levas se transforma en
movimiento lineal que actúa sobre el vástago de
las válvulas.
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Descripción del funcionamiento del motor
alternativo.
Ciclo de cuatro tiempos.

• Primer tiempo Admisión. El pistón al descender
  desde el PMS, crea un cierto vacío en el cilindro
  que hace que éste aspire el aire o la mezcla
  gaseosa combustible (según sea motor de inyección
  o no) a través de la válvula de admisión que
  permanece abierta.
• Segundo tiempo Compresión. La válvula de
  admisión cierra cuando el pistón llega al PMI,
  momento en que comienza a subir comprimiendo la
  mezcla hasta llegar al PMS.

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• Tercer tiempo Expansión. Instantes ante de que
  finalice la carrera de compresión se produce la
  inflamación del combustible, con aumento de la
  presión y temperatura. El pistón es proyectado de
  nuevo hacía abajo, produciéndose el trabajo.
• Cuarto tiempo Escape. Cuando el pistón llega al
  PMI se abre la válvula de escape, el pistón
  asciende y salen los gases de la combustión.
  Cuando ha legado al PMS la válvula de escape se
  cierra y se abre la de admisión. A continuación
  se inicia el primer tiempo.
• De los cuatro tiempos solo en el tercero se
  realiza trabajo, que es almacenado en forma de
  energía mecánica mediante un volante, del cual se
  toma la necesaria para realizar los otros tres
  tiempos.
• En la práctica las válvulas de admisión y escape
  pueden llevar un solape de unos 40º en que ambas
  están abiertas.

Ciclo de dos tiempos. Se realizan dos carreras de
pistón. Son motores más sencillos que no poseen
válvulas de distribución. Se emplean en
motocicletas. La entrada y salida de gases se
realiza por unas lumbreras (orificios) que son
abiertos y cerrados por el pistón en su
recorrido. Ela cárter está herméticamente
cerrado.
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• Primer tiempo. Cuando el pistón está en el PMS se
  produce la inflamación, los gases se expanden
  hasta que el pistón abre la lumbrera de escape,
  evacuándose el gas. A medida que el pistón baja,
  comprime la mezcla del cárter y se abre la
  comunicación cilindro-cárter. Este fluido entra
  en el cilindro y termina de barrer los gases de
  combustión hasta la lumbrera de escape.

• Segundo tiempo. El pistón comienza a subir desde
  el PMI, completando la fese de barrido y admisión
  hasta que cierra las lumbreras de admisión y
  escape. En este momento empieza la compresión
  hasta llegar al PMS. Al mismo tiempo, la lumbrera
  de admisión queda abierta y entra fluido en el
  cárter.
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• Según su forma de ignición los motores pueden
  ser de encendido por chispa (gasolina) y de
  encendido por compresión (gasoil). En ambos tipos
  de motores la sobrealimentación consistente en
  introducir en los cilindros más aire y
  combustible del que admiten de forma natural,
  logrando aumentar la potencia.

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Lubricación y refrigeración.
Debido al continuo rozamiento de las piezas
móviles en contacto es necesaria una adecuada
lubricación. Las partes más importantes a
lubricar en un motor son las paredes del
cilindro, las articulaciones de las bielas, los
cojinetes del cigüeñal, el árbol de levas, los
taqués, las válvulas, los balancines y los
engranajes. La lubricación se realiza mediante un
circuito a presión de aceite. El aceite se
encuentra en un depósito llamado cárter. La
refrigeración del motor se realiza por aire o por
agua.
Lubricación Refrigeración Por aire Por agua
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Potencia y rendimiento.
La potencia de un motor está dada por la
expresión donde P , potencia en kW N,
frecuencia de rotación (vueltas en un
segundo) VT, volumen total o cilindrada del motor
en litros da, densidad del aire en kg/l d, dosado
Qc, poder calorífico inferior del combustible en
kJ/kg ?, rendimiento

• Del término rendimiento destacamos
• El rendimiento volumétrico, este tipo de
  rendimiento se ha mejorado al incorporar la
  inyección en detrimento del carburador,
  alcanzando un rendimiento del 95.
• El rendimiento térmico, que relaciona la potencia
  del motor con la potencia liberada por el
  combustible puesto en juego. Alcanza el 30 en
  los motores de encendido por bujía y el 50 en
  los de encendido por compresor.

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• El rendimiento mecánico, debido a los órganos
  mecánicos adyacentes al motor. En el mejor de los
  casos será del orden del 85-90.
• Sobrealimentación de los motores de combustión
  interna.

Con la fórmula anterior veremos que hay varias
formas de aumentar la potencia -Aumentando N.
Subiendo las vueltas que da el motor, con el
inconveniente de complicar el sincronismo y
empeoran otros factores. -Aumentando VT. Poniendo
más cilindros o aumentando la cilindrada de cada
uno. -Mejorando los rendimientos. Utilizando
sistemas de inyección en los motores de encendido
por compresión. Aumentado la compresión
volumétrica mejoramos el rendimiento
termodinámico pero necesitamos gasolinas de mayor
octanaje. -Aumentando da. Comprimiendo el aire de
manera que entre más en el mismo volumen.
Sobrealimentación. Para conseguir esto se
utilizan los turbocompresores. Aprovechando la
energía de los gases de escape. La energía
necesaria para el compresor la obtenemos de la
turbina que recibe la energía de los gases de
salida del motor. A la salida del compresor los
gases además de alta presión, lo hacen alta
temperatura, lo que es perjudicial para aumentar
la potencia, para solucionar este problema
instalamos un intercambiador de calor a la salida
del compresor, que enfríe el aire antes de entrar
al motor. De ahí proviene el término Turbo
intercooler.
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CIRCUITOS
FRIGORÍFICOS
La refrigeración consiste, en conseguir mantener
un determinado objeto o lugar a una temperatura
inferior a la del entorno que los rodea.
Máquina frigorífica funcionando según un ciclo
termodinámico de Carnot. En la figura se observa
la evolución de un gas utilizado como fluido
frigorífico el foco caliente y el foco frió en el
interior de un cilindro al que alternativamente
colocamos una base aislada.
Se extrae calor del foco frío a temperatura Tf y
lo envía al foco caliente a temperatura Tc,
consumiendo una energía exterior.
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• El ciclo completo es
• Proceso 1-2. Compresión adiabática del gas desde
  Tf T1 T4 (la temperatura inferior) hasta Tc
  T2 T3 (la temperatura superior). El ciclo
  consume trabajo.
• Proceso 2-3. Compresión isoterma del gas se
  mantiene constante Tc T2 T3, mientras cede
  calor, Qc, al foco cliente.
• Proceso 3-4. Expansión adiabática del gas desde
  Tc a Tf.
• Proceso 4-1. Expansión interna del gas a Tf,
  mientras se extrae el calor, Qf, del foco fío.
  Esto se produce así porque la temperatura del gas
  es inferior a la del recinto a refrigerar.

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Económicamente el mejor ciclo de refrigeración es
aquel que extrae la mayor cantidad de calor Qf
del foco fío Tf con el menor trabajo W. Se define
la eficiencia (no el rendimiento) de una máquina
frigorífica como
Qf ? calor que se extrae del foco frío (nuestro
objetivo) W ? trabajo que gastamos en la
compresión (para conseguir nuestro objetivo) Qc ?
calor que se devuelve al foco caliente. El ciclo
de Carnot es ideal y en la práctica no se realiza
como hemos descrito. Fundamentalmente hay dos
sistemas de refrigeración los de vapor y los de
gas. En los de vapor el refrigerante se vaporiza
y condensa alternativamente en los diferentes
elementos del circuito. En los de gas el
refrigerante permanece siempre en estado
gaseoso. En general casi todos los compuestos
refrigerantes son derivados del freón.
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Componentes de una instalación frigorífica.

• Los elementos fundamentales son
• Compresor. Se encarga de aspirar los vapores
  fríos del evaporador a una presión baja, y
  descargar estos vapores comprimidos a una mayor
  presión y temperatura a la entrada del
  condensador.
• El condensador. Es un intercambiador de calor. En
  el condensador, el fluido refrigerante cede calor
  al medio ambiente exterior.
• El evaporador. Es en lo esencial idéntico al
  condensador, su diferencia reside en los focos
  entre los que se efectúa el intercambio de calor.
  En el evaporador es el ambiente a refrigerar el
  que cede calor al fluido, al estar este a menos
  temperatura. El evaporador permite que el fluido
  refrigerante absorba calor a una presión
  constante, y a temperatura también constante del
  evaporador. En este proceso hay un cambio

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• de fase del fluido refrigerante, que pasa de gas
  a líquido y, como consecuencia, su presión y
  temperatura permanecen constantes durante el
  cambio de fase.
• La válvula estranguladora, cumple la función de
  reducir la presión del líquido a la salida del
  condensador, a la vez que disminuye la
  temperatura del líquido y permite la dosificación
  del refrigerante.

BOMBA DE CALOR. APLICACIONES
Una bomba de calor es exactamente igual a una
máquina frigorífica. La diferencia consiste en la
intercambiabilidad de los focos frío y caliente.
En invierno el foco frío es el exterior y el
caliente el interior, de una vivienda. Debemos
consumir trabajo para pasar calor del exterior
(foco frío) al interior. En verano, el foco frío
es el interior de la vivienda y el caliente el
exterior. Debemos consumir trabajo para pasar el
calor del interior (foco frío) al exterior. Para
conseguirlo se deben intercambiar los papeles del
condensador y del evaporador, para lo que se
emplea una válvula de cuatro vías.
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La eficiencia de la bomba de calor utilizada como
calefacción es
Qc ? calor que se cede al foco caliente W ciclo
Qc Qf , e será siempre mayor que uno.
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En la actualidad se utilizan como calefacción en
invierno y sistema de refrigeración en varano
(aire acondicionado reversible). También en
locales que combinan piscina climatizada y sala
de patinaje sobre hielo. El agua de la piscina se
calienta debido al aporte de calor que recibe del
condensador, que a su vez produce hielo para la
pista de patinaje.