Maquinas Termicas - Clase 1 - 12 de Marzo de 2009

FIUBA - Patricio Alexis Kaminsky Annoni - 88563 1

MÁQUINAS TÉRMICAS 12 DE MARZO de 2009

Profesores Ing. Fabián González Ing. Armando Knichnik Temas a desarrollar

- Motores - Turbinas de vapor - Turbinas de gas

Bibliografía

- Apunte manuscrito. - “Manual del automotor” de Arias Paz - “Motores endotérmicos” de Dante – Giacosa - “Motores de combustión interna” de Obert


MÁQUINAS TÉRMICAS Las máquinas térmicas son dispositivos que transforman la energía química (generalmente proveniente de combustibles fósiles) en trabajo mecánico a través de la combustión. Clasificación de máquinas térmicas: - Máquina de combustión interna (MCI): el fluido que trabaja es el fluido que combustiona. Ejemplos: motores de transporte Otto y Diesel, turbina de gas, etc.

- Máquina de combustión externa (MCE): el fluido que trabaja no es el fluido que combustiona sino que se trata de dos fluidos diferentes, uno que combustiona y otro que realiza el trabajo. Ejemplos: caldera de vapor (el fluido que combustiona es una mezcla de aire-combustible; mientras que el fluido que trabaja es el vapor de agua calentado), horno (similar a la caldera, a diferencia de que el fluido que trabaja no es agua sino, en general, un hidrocarburo), motor Stirling, etc. La primera máquina térmica que se inventó fue una máquina a vapor. El calor de la combustión transformaba el agua en vapor que a su vez producía el trabajo (W). Por lo tanto se trataba de una MCE. Máquina de Newcomen Las minas de carbón de Inglaterra estaban inundadas de agua, por lo tanto era necesario sacar el agua de las minas. Se trata de una máquina del tipo atmosférica porque el trabajo es ejercido por la presión atmosférica externa. Existe una caldera con un recipiente donde se calienta el agua y se la transforma en vapor. Luego el vapor ingresa en el cilindro haciéndolo ascender. Una vez que alcanzó el máximo ascenso se inyecta agua fría para que condense el vapor dentro del cilindro. Como consecuencia se crea un vacío dentro del cilindro y dado que la presión atmosférica es mayor a la presión nula, el dispositivo cae por su propio peso expulsando el vapor.

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Máquina de vapor de Watt A diferencia de la máquina de Newcomen, no se trata de una máquina atmosférica. En este caso el pistón se mueve por vapor a presión. El pistón, introducido por Watt, es de doble efecto lo que implica que desplaza un volumen positivo de vapor cuando realiza cada carrera hacia ambos lados. Watt también introduce el mecanismo biela - manivela, que interactúa con un eje haciéndolo rotar. Cuenta con un volante de inercia y con un regulador de Watt que se encuentra conectado a una válvula. La función del regulador es censar la velocidad de la máquina y mantenerla en un valor constante. Cuando aumenta la velocidad, se cierra la válvula de vapor para contrarrestar el efecto y disminuir la velocidad. Por el contrario, cuando disminuye la velocidad se abre la válvula de vapor para aumentar la velocidad de giro. El volante de inercia ayuda a entregar la energía. La máquina de Watt fue revolucionaria hasta que aparecieron las máquinas de combustión interna.



Motor de combustión interna El primer MCI fue el motor Otto o motor de encendido con chispa. Es un motor de cuatro tiempos o carreras que cuenta con un cilindro y con dos entradas (una válvula por entrada). El trabajo (W) lo realiza el combustible inyectado que combustiona.

El cigüeñal es el eje del motor al que le sacamos el trabajo (W). Es un eje acodado que se une a la biela. Las cuatro carreras de un motor de combustión interna son: - Carrera de admisión

Se abre la válvula de admisión permitiendo el ingreso de la mezcla de combustible y aire. El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) generando un vacío que succiona la mezcla hacia el interior del cilindro. Cuando finaliza la carrera de admisión, el pistón se encuentra en la posición inferior del cilindro y el cigüeñal dio medio giro.

- Carrera de compresión

Antes de iniciar la carrera de compresión es necesario cerrar la válvula de admisión. El pistón asciende, comprimiendo el fluido en una relación de 10 a 1 y el cigüeñal produce medio giro en el mismo sentido. Al comprimirse el fluido, aumenta la presión y se calienta.

- Carrera de expansión o explosión

La bujía produce una chispa que inflama la mezcla, produciendo la combustión del fluido y el descenso el pistón. El cigüeñal produce medio giro en el mismo sentido. Las válvulas de admisión y escape deben mantenerse cerradas.

- Carrera de escape o barrido

Luego de la expansión quedan gases quemados dentro del cilindro que deben ser eliminados. Para ello se abre la válvula de escape que permite el desalojo de los gases. El cilindro se desplaza hacia arriba y el cigüeñal produce un último medio giro en el mismo sentido.


El cigüeñal debe dar dos vueltas para realizar una carrera motora completa. Sin embargo, el árbol de levas se mueve en relación al eje motor. Por lo tanto, por cada ciclo completo se producen dos giros del cigüeñal pero una sola vuelta del árbol de levas, que implica una única apertura de las válvulas de admisión y escape. El ejemplo anterior es para un motor de un solo cilindro. Por lo general se utilizan más cilindros para intercalar las carreras motoras y lograr una marcha más suave del motor. Generalmente el volante de inercia ayuda a entregar la energía, pero cuando prendemos el auto el volante no se encuentra girando. Utilizamos energía de la batería para producir la primera carrera de admisión y compresión. La cilindrada es el volumen de fluido que desplaza el pistón. La potencia del motor esta relacionada directamente con la cilindrada del motor. Cuanto mayor sea la cilindrara, mayor será la potencia que puede transmitir el motor.



Motor diesel o de encendido por compresión Al igual que el motor Otto, se trata de un motor de 4 carreras. El funcionamiento es similar, con las mismas piezas, a diferencia del método de inflamación del fluido. El motor diesel no cuenta con bujía de encendido. Se trata de un motor más robusto dado que la relación de compresión es mucho mayor, alrededor de 20 a 1. Este incremento en la compresión es fundamental para la detonación de la mezcla. A diferencia del motor estudiado anteriormente, al cilindro no ingresa una mezcla de aire y combustible sino que ingresa aire únicamente. El combustible es inyectado en una etapa posterior. Durante la carrera de admisión se inyecta aire al cilindro y en la etapa de compresión se comprime el aire, aumentando su presión y temperatura. Luego se inyecta un chorro de combustible a presión, en gotas muy finas, que se evaporan y se mezclan con el aire. Debido a la alta temperatura y presión de la mezcla, los gases se encienden por sí solos sin necesidad de una chispa. Es una reacción más violenta que el motor Otto y es por eso que el motor diesel debe ser más robusto. Por último, las carreras de expansión y escape no se ven modificadas.


Mecanismo de accionamiento de las válvulas En los motores más antiguos, el cigüeñal hacía rotar el eje del árbol de levas que estaba conectado a unas verillas. A su vez, estas verillas movían unos balancines que empujaban las válvulas hacia abajo. El retorno de las válvulas era accionado por resortes. Al conjunto de piezas mencionado suele llamárselo eje de distribución.

Los motores más modernos cuentan con un mecanismo más simple y de menor cantidad de piezas. En este caso el árbol de levas acciona directamente las válvulas. Podemos aumentar el rendimiento del motor si incrementamos el número de válvulas de admisión y de escape por cilindro. Un motor de 4 cilindros y 16V cuenta con 4 válvulas por cilindro, lo que implica el doble de válvulas que el motor anterior. En este caso se tienen 2 válvulas de admisión y de escape para cada cilindro del motor.


Complementar con las páginas 32-39 del apunte manuscrito.

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