Mquinas trmicas

Unamquina trmicaes un dipositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie detransformaciones termodinmicasde forma cclica, para que la mquina pueda funcionar de forma continua. A travs de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de unfoco trmico) que transforma en trabajo.

Mquina trmica y motor trmico[editar]En un principio se podra definir a una mquina trmica como un dispositivo, equipo o una instalacin destinada a la produccin de trabajo en virtud de un aporte calrico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinnimos los trminos mquina trmica motora y motor trmico, en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor trmico es un conjunto de elementos mecnicos que permite obtener energa mecnica a partir de la energa trmica obtenida mediante unareaccindecombustino unareaccin nuclear. Un motor trmico dispone de lo necesario para obtener energa trmica, mientras que una mquina trmica motora necesita energa trmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de ms energa a la entrada que a la salida.1 Clasificacin[editar]Segn el sentido de transferencia de energa[editar]Las mquinas trmicas pueden clasificarse, segn el sentido de transferencia de energa, en: Mquinas trmicas motoras, en las cuales la energa del fluido disminuye al atravesar la mquina, obtenindoseenerga mecnicaen el eje. Mquinas trmicas generadoras, en las cuales la energa del fluido aumenta al atravesar la mquina, precisndose energa mecnica en el eje.Segn el principio de funcionamiento[editar]Atendiendo al principio de funcionamiento, las mquinas trmicas se clasifican en: Mquinas volumtricas o mquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento est basado en principios mecnicos ehidrostticos, de manera que el fluido en algn instante est contenido en un volumen limitado por los elementos de la mquina. En este tipo de mquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos segn el movimiento del rgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento esrectilneo; y rotativas, cuyo movimiento escircular. Turbomquinas, cuyo funcionamiento est basado en el intercambio decantidad de movimientoentre el fluido y unrodete. En estas mquinas el flujo es continuo.Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las mquinas trmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

Mquinas trmicas

MotorasVolumtricasAlternativasMquina de vapor

RotativasMotor Wankel

TurbomquinasTurbina

GeneradorasVolumtricasAlternativasCompresor de mbolo

RotativasCompresor rotativo

TurbomquinasTurbocompresor

Balance de energa en una mquina trmica[editar]Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energa con el entorno. Aplicando elprimer principio de la termodinmicapara unsistema abierto, el incremento de energa del sistema en un intervalo de tiempo es:

donde; Qes el calor entregado al sistema. Ser negativo cuando el calor sea entregado por el sistema. Wes el trabajo entregado al sistema, en forma de trabajo mecnico y energa de presin. Ser negativo cuando el calor sea entregado por el sistema. El subndiceinrepresenta la materia que entra al sistema. El subndiceoutrepresenta la materia que sale del sistema. hes laentalpapor unidad de masa del flujo V2/2 es laenerga cinticapor unidad de masa del flujo. gzes laenerga potencialpor unidad de masa del flujoHaciendo laderivadade la expresin anterior respecto al tiempo, se obtiene:

Debe tenerse en cuenta que en mquinas generadoras, puede aparecer esta expresin con el signo deWcambiado, para que se exprese el trabajo entregado por la mquina y asWsea positivo.Vase tambin:Criterio de signos termodinmicoSimplificaciones[editar]La ecuacin que expresa el balance de energa puede simplificarse en los siguientes casos:Sistema en reposoCuando el sistema est en reposo, tal como en mquinas estacionarias, las variaciones de energa potencial y energa cintica sern nulas.

Rgimen permanenteCuando la mquina funciona enrgimen permanente, las cantidades de masa y energa que entran son iguales a las que salen, pues de lo contrario variaran esa cantidades dentro del sistema.

Variacin de energa potencial despreciableEn la mayora de las mquinas trmicas, diferencia de energa potencial del flujo que sale respecto al que entra es poco significativo en comparacin con los otros trminos asociados a la energa del flujo.

Sistemas adiabticosEn la mayora de las mquinas trmicas, la transferencia de calor es despreciable frente a otros intercambios de energa. Teniendo en cuenta latransmisin de calorporconduccinyconveccin:

dondeQes el calor intercambiado,Ues elcoeficiente global de transferencia de calor,Aes la superficie del sistema yes ladiferencia de temperaturas media logartmica, puede considerarse que el sistema es adiabtico cuando se da alguna de las siguientes condiciones: La superficie externa del sistema est bienaislada trmicamente. Lasuperficieexterna del sistema es muy pequea. La diferencia detemperaturasentre el flujo y el entorno del sistema es pequea. El fluido pasa a travs de la mquina tan rpido que apenas hay tiempo para que sea significativa la transferencia de calor por unidad de masa.Mquina trmica en rgimen permanente con variacin de energa potencial despreciable[editar]En una mquina trmica que funciona en rgimen permanente en la cual se desprecie la variacin de energa potencial, la expresin el primer principio de la termodinmica puede expresarse como

donde h0es laentalpa de parada.En los ciclos termodinmicos asociados a laturbina de vapor, la energa cintica especfica puede considerarse despreciable frente a la entalpa, resultando

Rendimiento[editar]

Diagramah-Sdevapor de agua, en el que se muestran en rojo dos expansiones entre dosisobarasdistintas. La presin de salida es unacondicin de contornopara el proceso. Con una expansinisoentrpicaentre las presiones de entrada y de salida se obtendra mayor salto entlpico.Para el clculo del rendimiento, se relaciona la energa obtenida, ya sea en forma de incremento de energa en el fluido o de energa mecnica suministrada por la mquina, entre la mxima energa que se podra obtener en lascondiciones de contorno.Rendimiento de una mquina trmica motora[editar]Rendimiento internoEltrabajo especficomximo que puede obtenerse en la expansin de un fluido est definido por la diferencia de entalpas entre el fluido a la entrada y las condicionesisoentrpicasa la presin de salida. En cambio el trabajo real es menor a ste debido al aumento de la entropa.2

Rendimiento mecnicoEl rendimiento mecnico es la relacin entrepotencia efectiva((), que es la potencia obtenida en el eje, y lapotencia interna((), que es la variacin por unidad de tiempo de la energa del fluido. La potencia efectiva resulta de restar a la potencia indicada menos la potencia de prdidas mecnicas (), que es disipada elrozamientode elementos mecnicos (cojinetes,retenes, etc.) y en el accionamiento de elementos auxiliares (bomba de aceite, ventiladores, etc.)

Rendimiento isoentrpicoEl rendimiento isoentrpico relaciona la potencia obtenida en el eje con potencia mxima del proceso isoentrpico en las mismas condiciones de contorno.

Rendimiento de una mquina trmica generadora[editar]Rendimiento internoEltrabajo especficomnimo para comprimir un fluido desde unestado trmicohasta una presin determinada es igual al salto entlpico del correspondienteproceso isoentrpico, de forma que un proceso real presentar mayor diferencia de entalpas del fluido entre la entrada y la salida.3

Rendimiento mecnicoEl rendimiento mecnico es la relacin entrepotencia efectiva((), que es la potencia obtenida en el eje, y lapotencia interna((), que es la variacin por unidad de tiempo de la energa del fluido. La potencia efectiva resulta de restar a la potencia indicada menos la potencia de prdidas mecnicas (), que es disipada elrozamientode elementos mecnicos (cojinetes,retenes, etc.) y en el accionamiento de elementos auxiliares (bomba de aceite, ventiladores, etc.)

Rendimiento isoentrpicoEl rendimiento isoentrpico relaciona potencia mnima del proceso isoentrpico en las mismas condiciones de contorno con la potencia suministrada en el eje.