Motores térmicos
Un motor térmico es una máquina térmica que transforma calor en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o el vapor de un líquido.
El calor requerido para el buen funcionamiento de una máquina térmica procede de la energía química liberada en una combustión, siendo absorbido por un fluido motor que pone en movimiento una serie de piezas mecánicas.
Si la combustión tiene lugar fuera del motor, las máquinas reciben el nombre de máquinas de combustión externa, y si la combustión tiene lugar dentro de la máquina, las máquinas reciben el nombre de máquinas de combustión interna. El movimiento producido puede ser alternativo o rotativo.
El fluido motor suele ser el vapor de agua, el aire o la mezcla de gases resultantes de la combustión del petróleo o de gases combustibles. En los motores de combustión interna la combustión se realiza en el fluido motor, y en los motores de combustión externa existen dos fluidos, donde se intercambia calor entre ambos. En las centrales nucleares el calor procede de la energía liberada en la fisión nuclear del uranio o del plutonio, siendo extraído por una sustancia refrigerante que lo cede a un circuito secundario a través de un cambiador de calor.
En 1765 el escocés James Watt fabricó la primera máquina de vapor eficiente, y significó además el comienzo de la Revolución Industrial, nacida como consecuencia de la sustitución del esfuerzo muscular por el trabajo de las máquinas. La máquina de vapor fue un triunfo de la tecnología que hizo surgir fábricas en la mayoría de países, al mismo tiempo que elevaba el nivel de bienestar de la sociedad.
Un siglo más tarde los motores de combustión interna revolucionaron el transporte terrestre, marítimo y aéreo. La ciencia dio lugar al Sistema Internacional de Unidades.
La máquina de vapor es una máquina de combustión externa que aprovecha la fuerza expansiva del vapor de agua para mover un émbolo y producir trabajo.
En 1691, el ingeniero militar inglés Thomas Savery fue pionero en utilizar la presión del vapor de agua para extraer agua de minas y pozos y mover una rueda hidráulica. Normalmente la presión del vapor de agua solía reventar calderas y tuberías, y además, era poco eficaz porque se perdía el calor del vapor de agua cada vez que se enfriaba el recipiente.
En 1698 Thomas Savery patentó su descubrimiento, y el herrero inglés Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta, que trabajaba a bajas presiones. Además, contaba con un pistón y un cilindro. Con la presión del aire podía mover el pistón.
En 1765 el mecánico escocés James Watt mejoró la máquina de Thomas Newcomen, y en 1782 construyó la primera máquina de vapor.
En 1787 el inventor estadounidense John Fitch construyó un barco de vapor, aunque este fracasó financieramente.
En 1807 Robert Fulton botó el Clermont, el primer barco de vapor.
En 1814 el inglés George Stephenson construyó la primera locomotra de vapor.
El proceso de expansión del vapor de agua contra el émbolo es adiabático, pero no reversible, por lo que no es isoentrópico.
Para que una máquina térmica siguiese el ciclo de Carnot habría que detener la condensación del vapor antes de que se licue por completo y, por medio de un compresor, conseguir que la mezcla vapor-líquido alcance su licuación completa a la temperatura de la caldera.
Como esto resulta imposible, el ingeniero escocés J. M. Rankine propuso una modificación del ciclo de Carnot, denominado ciclo de Rankine.
En un ciclo de Rankine con sobrecalentamiento, la temperatura media a la que se absorbe el calor implica un mayor rendimiento. El vapor permanece seco durante toda la expansión adiabática, por lo que disminuye los peligros a la corrosión.
La potencia de una máquina de vapor depende de la presión y la cantidad de vapor de agua admitida por el cilindro en la unidad de tiempo. Como la presión varía, se considera un valor promedio llamado presión media efectiva.
La cantidad de vapor de agua por unidad de tiempo es igual al volumen del cilindro correspondiente a cada revolución multiplicado por el número de revoluciones en unidad de tiempo. El volumen se calcula multiplicando la sección del émbolo por la longitud de la carrera.
siendo
Cuando el vapor de agua actúa sobre ambas caras del émbolo, la potencia teórica desarrollada es el doble de este valor.
A causa de rozamientos y otras pérdidas, realmente la potencia suele ser un 70 o un 90 % que la potencia citada.
El tamaño de la máquina de vapor se limita a potencias de 1000 CV, a velocidades de 213 m/min, a presiones de 14 kp/cm², a temperaturas de 315 °C y a rendimientos del 30 %.
Las máquinas de vapor se han utilizado como órganos motores de locomotoras, y barcos. Actualmente, han sido sustituidas por motores de combustión.
En la turbina de vapor el vapor de agua se distribuye por cuatro tubos y actúa directamente sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar con una velocidad de unas 10 000 rpm.
La turbina de vapor carece de cilindro motor y de órganos transformadores del movimiento, por lo que el rendimiento es mayor.
Actualmente, la turbina de vapor se emplea en las centrales eléctricas, en la propulsión de buques y en las instalaciones soplantes de altos hornos.
En un motor térmico se producen una serie de transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energía térmica en forma de calor y devuelve energía mecánica en forma de trabajo.
La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en día oscila entre el 3 % (97 % de calor desperdiciado) para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 25 % para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35 % para una planta generadora de carbón supercrítico, y el 60 % para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la depresión de la temperatura a través de ellos. Por ejemplo, los sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean una diferencia de temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25 ºC, por lo que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 ºC, es decir, una diferencia de hasta 1500 ºC, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.
Para la clasificación de los motores térmicos, además de los criterios ya mencionados en el caso de máquinas de fluido, se tienen en consideración dos aspectos adicionales:
El fundamento de los motores de combustión interna es la realización de la combustión en el interior del cilindro de la máquina, en los que el agente motor es el combustible mezclado con el aire necesario para la combustión.
Existen distintos tipos de máquinas de combustión interna dependiendo del combustible utilizado, las condiciones de la combustión y el número de carreras que efectúa el pistón en un ciclo. El movimiento puede ser alternativo, que lo realizan los motores de explosión y de combustión, o rotativo, que lo realizan las turbinas de explosión y de combustión.
En las máquinas de movimiento alternativo, la combustión es instantánea, producida por una chispa eléctrica, debiendo utilizarse combustibles gaseosos o líquidos muy volátiles, como por ejemplo la gasolina. En las máquinas de movimiento rotativo se realiza de una forma progresiva y a presión constante, utilizándose como combustibles líquidos menos volátiles, como por ejemplo el gasóleo.
En las máquinas de combustión interna, los gases de la combustión son los que circulan por la propia máquina. En este caso, la máquina será necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor será el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustión.
El motor de explosión de uso más común es el motor de cuatro tiempos, que está formado por los siguientes componentes.
Una máquina térmica sigue el ciclo ideado en 1862 por Beau de Rochas y usado por primera vez en 1877 por Nikolaus Otto, denominando así al ciclo como ciclo de Otto.
El ciclo de Otto se efectúa por un gas perfecto, y consta de dos procesos adiabáticos y dos isocoros, que reciben el nombre de tiempos.
El rendimiento del ciclo de Otto viene dado por la expresión:
donde R es el grado de compresión de la mezcla, y es el coeficiente adiabático.
En los motores de gasolina existe un límite por encima del cual no puede elevarse el grado de compresión, ya que a temperaturas y presiones elevadas el carburante explosiona antes de saltar la chispa. Se dice que se ha alcanzado el nivel de autoignición.
Esta [[detonación produce un choque audible que perjudica al motor y disminuye el rendimiento. Añadiendo sustancias antidetonantes o catalizadores se consigue grados de compresión de 8 a 10.
Las razones por el bajo rendimiento son las siguientes:
Las gasolinas de alto poder antidetonante son aquellas en las que predominan los hidrocarburos cícliclos y los hidrocarburos de cadena ramificada, que detonan con mayor dificultad. Para comparar las propiedades antidetonantes se utiliza el índice o número de octano, donde se toman como hidrocarburos el isooctano y el n-heptano, a los que se asignan poderes antidetonantes de 100 y 0.
El índice o número de octano es el tanto por ciento en volumen de isooctano en una mezcla de isooctano y n-heptano que tenga el mismo poder antidetonante que la gasolina.
La gasolina de aviación tiene un número de octano superior a 100, y constan de un 20 % de hidrocarburos aromáticos.
Para disminuir la detonación y aumentar el índice o número de octano de una gasolina, antiguamente se utilizaban antidetonantes, que actuaban como catalizadores negativos de las reacciones de combustión de los hidrocarburos. El más completo fue el tetraetilo de plomo, que se añadía un 0,1 % a la gasolina. Al explosionar la gasolina quedaban libres plomo metálico y óxido de plomo, que estropeaban el motor y contaminaban el aire. Actualmente, se utilizan gasolinas sin plomo empleando otro tipo de catalizadores.
Las causas que limitan el rendimiento de las máquinas de combustión externa radican en la imposibilidad de alcanzar temperaturas elevadas en la caldera, debido a la presión que se alcanza; y la dificultad de conseguir un aprovechamiento de la energía calorífica del carbón y otro combustible.
Si la combustión es externa, el calor de la combustión se transfiere al fluido a través de una pared, por ejemplo en un intercambiador de calor. Este tipo de máquinas no exige un proceso de combustión, como sucede en las instalaciones nucleares, si bien es el procedimiento usual. Dado que el fluido motor no sufre degradación alguna, estas máquinas pueden ser de ciclo cerrado, a lo que actualmente se tiende por razones económicas.