maquinas termicas u 1 moron

8/18/2019 Maquinas Termicas U 1 Moron

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UMUNIVERSIDAD DE MORÓN

Modalidad @ Distancia

Autoridades Decano

Ing. Hugo René Padovani Vicedecana

Lic. María Liliana Mazzi Secretaria Académica

Dra. Liliana Elena Lipera Secretario Adjunto Arq. Carlos Antonio Ontiveros

Director de Estudios y Coordinación Lic. Marcelo Daniel Vinjoy

Consultora General Lic. Mónica Elsa Eines

MÁQUINAS

TÉRMICAS



Director de Carrera

Lic. Carlos Héctor ColángeloAutor de Contenidos

Ing. Domingo A. CastilloProcesamiento Didáctico

Lic. Mónica Elsa EinesDiseño Editorial

Diego G. Mamone



F ACULTAD DE INFORMÁTICA, CIENCIAS DE LA COMUNICACIÓN Y TÉCNICAS ESPECIALES

M ÁQUINAS TÉRMICAS 1

CONTENIDOS

UNIDAD 1: CLASIFICACIÓN, DESARROLLO Y EVOLUCIÓN DELAS MÁQUINAS TÉRMICAS

1.1. Introducción……….……………………………………………….........31.1.1 Historia y evolución de las Máquinas Térmicas…….………...41.1.2 Máquina de Sabery……………………………………………41.1.3 Máquina de Newcomen……………………………………….5

1.1.4 Máquina de Watt.……………………………………………...61.1.5 Máquina de Combustión Interna.……………………………...81.1.5a. Motores de encendido por chispa…………………...81.1.5b. Motores de encendido por Compresión……………10

1.1.6 Turbinas de Combustión Interna……………………………..11

1.2 Comparación de los Motores Térmicos………………………………..131.3 Máquinas de Combustión Interna y Externa…….……………………..141.4 Rendimiento y aptitud de una Máquina Térmica………………………151.5 Fuentes de energía en las Máquinas Térmicas…………………………16



2 LICENCIATURA EN HIGIENE Y SEGURIDAD EN EL TRABAJO

Unidad

MáquinasTérmicas

CLASIFICACIÓN,DESARROLLO Y

EVOLUCIÓN DE LASMÁQUINAS TÉRMICAS





1.1.- Introducción

Se puede afirmar, sin temor a exagerar, que en todos los procesos utilizados actualmenteen la industria, la energía desempeña el papel fundamental que condiciona y motiva

tales procesos.La civilización moderna está basada en el consumo de energía, fundamentalmente en suforma eléctrica y mecánica.

Las máquina térmicas tuvieron una consecuencia fundamental: poner a disposición delos hombres una fuerza enormemente mayor, y mejor regulada que la del músculoanimal. Cuando hoy día, encender una luz o tener agua corriente en nuestros hogares,trasladarnos rápidamente de un lugar a otro en nuestro automóvil o desplazarnos enavión a velocidades próximas a la del sonido, nos parecen acciones tan cotidianas queno le concedemos ningún valor, no somos conscientes de que nos beneficiamos de laherencia cuasi directa de aquellas máquinas térmicas primigenias que constituyeron la

Revolución Industrial.

El primer avance decisivo ocurrió con la conquista y control del fuego. El segundoavance energético fue la aparición de la agricultura en la prehistoria; en el neolítico(5000 a.C.) con la agricultura, el hombre aprendió una forma revolucionaria deaprovechar la energía solar.

Buscando una manera de efectuar trabajo sin tener que depender tanto de la energíapersonal, el hombre empezó a usar la energía de los animales.La principal limitación en el uso de las energías humana y animal tiene que ver con losbajos niveles de salida de trabajo que pueden obtenerse. Por ejemplo, se calcula que lassalidas máximas de potencia de un ser humano, de un buey y de un caballo son sólo deaproximadamente 75 W, 0,2 kW y 0,75 kW respectivamente.

Apareció el aprovechamiento de otras formas de energía, como la del viento y del agua.Las velas en los buques fomentaron el uso de la energía eólica en el transportemarítimo. Así mismo, fue posible impulsar cierto número de procesos industriales conel uso de los molinos de viento. Los niveles de salida de potencia que se pueden obtenerse han calculado en 30 a 1000 kW para molinos de viento, en 80 a 500kW para lasruedas de agua instaladas cerca de caídas de agua.La energía eólica está disponible sólo de manera intermitente y en zonas geográficas

favorables. Así mismo la energía hidráulica solamente puede utilizarse en zonas con unatopografía favorable y con abundancia de flujo de agua.




1.1.1 - Historia y evolución de la Máquina Térmica

No se conocen progresos significativos hasta la época griega Aristotélica. Se destaca elprimer aprovechamiento de la energía solar realizado por Arquímedes, cuando incendiola flota romana (214 a.C.) durante la segunda guerra punica. Tal proeza se realizoutilizando espejos concentrados.

La primera información que se tiene de la Máquina a vapor,se remonta aproximadamente a los años 130 a.C., cuandoHeron de Alejandría presento su maquina denominada "eolípila".

Está consistía en una esfera hueca con un sistema de soporte,que le permitía girar al salir el vapor de agua por unos tubossimétricamente colocados.

En la baja edad media, se incorpora el uso de una nueva forma de energía, la energía

química, con el uso de la pólvora (mezcla de nitrato de potasio, con carbón molido yazufre).

En 1690, Denis Papin presento un dispositivo que permitía utilizar la fuerza expansivadel vapor y también la fuerza de la presión atmosférica. Papin presento un cilindro conun poco de agua, que en su parte media estaba cerrada con un disco (embolo). Al hervirel agua los vapores elevan el disco, hecho esto se retiro el fuego y se enfrió el cilindro,

lo que motivo la condensación de los vapores, originándose un vació. En estascondiciones la presión atmosférica actuaba bajando violentamente el disco, con laposibilidad de crear trabajo mecánico a expensas de la diferencia de presión.

1.1.2 - Máquina de Sabery

Tradicionalmente se ha reconocido en la máquina de Sabery a la primera de lasmáquinas de vapor, si bien en sentido estricto la maquina de Sabery debe entendersecomo una bomba para elevar agua accionada por vapor.

Thomas Savery, ingeniero ingles en el año 1698, construyo un modelo de máquina a

vapor que tenía una caldera para calentar el agua y producir el vapor, que losuministraba a un depósito de manera continua. Este vapor presionaba el agua deldeposito, expulsándola hacia arriba a través de una cañería pasando por la válvula (B)abierta y (D) cerrada. En ese momento se cierra la válvula (A) que comunica la calderacon el depósito; ese depósito es rociado exteriormente con agua fría y consecuentementeprovocando una depresión en el interior del depósito.Debido a este vació el agua del tanque inferior es aspirada y dirigida hacia el tanquesuperior, con (D) abierta y (B) cerrada. Luego que se llena este último se abre la válvula(A) para permitir la entrada de vapor y provocar nuevamente la elevación del agua.





Está máquina se utilizo para extraer el agua de las minas de carbón y además para elevarel agua en los edificios.

Debido a las altas presiones de la caldera que la hacían susceptibles a explotar y quesolamente podían elevar el agua, entre los 8 a 10 metros, se dejan de utilizar.Inicia el concepto de utilizar un combustible para realizar una tarea y no un ser viviente.

1.1.3 - Máquina de Newcomen

Aunque la sociedad en general tenga a James Watt como paradigma de la RevolucionIndustrial, puede afirmarse que fue la Máquina de Thomas Newcomen la que supuso uncambio radical en el estado de la técnica de aquella época.En 1712 el británico Thomas Newcomen, diseño y construyo la primera máquina devapor que producía trabajo a partir del calor.Sigue el modelo de la máquina de Sabery, pero le hace algunas modificaciones.Incorpora el cilindro y el embolo; las válvulas para regular la entrada y salida de vapordel cilindro; un balancín para volver a la posición inicial y bombas auxiliares.

El funcionamiento de la máquina de Newcomen era el que se describe a continuación,según se comprueba de la observación de la figura.La máquina constaba de una caldera que producía vapor a presión atmosférica, vaporque se llevaba a través de la válvula (A) con (B) y (C) cerrada, al cilindro existenteencima de dicha caldera durante la carrera ascendente del pistón. Cuando el vaporllenaba el cilindro se cerraba la válvula (A) y, a continuación se producía su

condensación mediante la inyección de un chorro de agua fría (se abre (C)), lo quegeneraba un vació en el interior del cilindro. En ese momento la presión atmosféricaactuaba sobre la parte superior del embolo, forzándolo a realizar la carrera descendentedel embolo; está carrera descendente era la que producía el trabajo de la máquina, puesen su movimiento accionaba la elevación del vástago de la bomba.Cuando el pistón llega a su parte inferior se abre la válvula (B) para eliminar elcondensado y vaciar el cilindro. Luego de cerrar la válvula (B), el propio peso de dichovástago hacia que se elevase de nuevo el pistón, momento en el que se abría la válvula(A) permitiendo la entrada de vapor; completando un nuevo ciclo.




La importancia de la máquina de Newcomen no queda limitada a una simple bombapara la elevación del agua, sino que la existencia de su embolo móvil la convertía enuna fuente de energía útil para prácticamente cualquier tipo de aplicación.Desde una perspectiva económica, la aparición de está máquina supuso la base de lo queseria no sólo una nueva economía, sino también del nuevo orden social que conllevo laRevolucion Industrial. Está influencia no quedo restringida sólo a Inglaterra, ya que

pronto se extendió por todo el continente europeo.Está conversión de energía térmica en energía mecánica proporcionaba una potencia de4 KW.Para nuestros estándares actuales es una máquina mala, dado que consume muchocombustible (carbón) y realiza poco trabajo de manera discontinua y lenta. Sin embargose utilizo durante todo el siglo XVIII, significando para la época un avanceconsiderable.

1.1.4- La Máquina de Watt

En 1765, James Watt estudiando el funcionamiento de la

Máquina de Newcomen, encontró que se desperdiciabamucho calor al calentar y enfriar el cilindro durante cadaciclo. Recordemos que no se habían desarrollado losconceptos de calor, trabajo y energía.De manera resumida las mejoras que sugiere Watt parareducir el consumo de vapor y combustible eran:

1) La primera de ellas trata sobre la adiabaticidad delcilindro; proponiendo un mayor aislamiento delmismo, mediante un encapsulamiento de maderau otro material aislante, minimizando las perdidas

de calor. Impidiendo además que ningún otra





sustancia que estuviese más fría que el vapor pudiera ponerse en contacto con elcilindro.

2) La segunda propuesta plantea el empleode unos depósitos distintos al cilindro,que denomina condensadores, donde se

realizaría el pasaje de vapor a líquido.Según Watt los condensadores debenpermanecer a la temperatura del aireatmosférico mientras la máquina este enfuncionamiento, para lo que deberánrefrigerarse con agua u otros medios.

3) En tercer lugar Watt indica que los gasesque estén en el condensador y no puedanser condensados, deben extraerse de élpara que no perjudiquen elfuncionamiento de la máquina.

4) Como cuarta mejora Watt sugiere descargar el vapor directamente a la atmósferaen los casos en que no se pueda disponer de agua en abundancia para larefrigeración.

5) Propone otra construcción distinta en aquellas situaciones en las que se necesiteun movimiento alrededor de un eje.

6) Planteo hacer una refrigeración de manera que el vapor no llegue al estadolíquido, y poder emplear así máquinas que puedan funcionar alternativamentecon la expansión y compresión del vapor.

7) Por ultimo recomienda hacer una lubricación de diversos elementos de lamáquina sin emplear agua. Concretamente aconseja hacer una lubricación delpistón y de otras partes móviles de la máquina con aceite, cera, grasa animal ometales líquidos.

Watt introdujo varias mejoras más: se diseñó una serie de conexiones mecánicas paramantener en línea recta el movimiento del pistón, se enlazó este movimiento alternativocon un cigüeñal que hacía girar a una rueda, y así sucesivamente. En 1782, su máquinade vapor, rindiendo con una tonelada de carbón tres veces más que la de Newcomen,quedó lista para prestar servicio como caballo universal de fuerza.

1. Caldera; 2.Volante; 3. Condensador; 4. Balancín; 5. Pistón; 6. Cilindro




La caldera 1 hierve el agua , cuando la presión del vapor es considerable la válvula B seabre dejando pasar el vapor al cilindro 6, logrando desplazar el pistón 5 hacia la partesuperior del cilindro debido al aumento de presión.Al elevarse el pistón, el agua contenida en el espacio sobrante del cilindro pasa alcondensador a través de la válvula A abierta. Al aumentar la presión en el condensadorse abre la válvula D, dejando pasar el agua al cilindro.Luego, la propia inercia del conjunto hace que el sistema alterne las aperturas de lasválvulas por la presión, consiguiendo así el doble efecto y el vapor y el agua actúan enlas dos caras del pistón.

En épocas ulteriores se acrecentó sin cesar la eficiencia de la máquina Watt,principalmente mediante la aplicación de vapor cada vez más caliente a presiones cadavez más altas.La primera aplicación de la máquina de vapor con fines más espectaculares que el

drenaje de minas fue la navegación marítima. A partir de 1830, los barcos de vaporcruzaron ya el Atlántico propulsados por hélices, una mejora considerable encomparación con las ruedas laterales de palas.Mientras tanto, la máquina de vapor empezaba a dominar el transporte terrestre. En1814, el inventor inglés George Stephenson, quien aprovecho los trabajos precedentesde un ingeniero inglés, Richard Trevithick- construyó la primera locomotora funcionalde vapor. El movimiento alternativo de los pistones movidos a vapor pudo hacer girarlas ruedas metálicas sobre los rieles.

1.1.5 - Máquinas de Combustión Interna

En está introducción hemos dado una descripción breve sobre la evolución de lasMáquinas Térmicas de Combustión Externa , o sea aquellas máquinas en donde laenergía interna del combustible se convierte primero en calor y luego se transfiere a unfluido de trabajo (fluido activo) que evoluciona dentro de la máquina.

Otro tipo de máquinas térmicas son las de Combustión Interna, o sea aquellas máquinasen donde el fluido activo está constituido por los mismos productos de la combustión.Aun cuando ya desde el siglo XIV se sabía que la combustión de la pólvora podíasuministrar una considerable energía mecánica, las primeras ideas coherentes sobre losmotores de combustión interna provienen de la segunda mitad del siglo XVII, y losaportes más importantes aparecieron durante el siglo XIX.

1.1.5a -Motores de encendido por chispa

La gasolina, la cual se obtiene mediante la destilación fraccionada del petróleo, fuedescubierta en 1857. Más adelante, en 1860, Jean Joseph Etienne Lenoir creó el primermotor de combustión interna quemando gas dentro de un cilindro.

En 1862 un ingeniero francés de locomotoras, Alfonso Beau de Rochas, describió elsistema de funcionamiento que con razón puede afirmarse representa el adelantoindividual de mayor trascendencia registrado en la historia de los motores decombustión interna. Se trataba del ciclo de cuatro tiempos con encendido al final de lacarrera de compresión.





Pero habría que esperar hasta 1876 para que Nikolaus August Otto construyera elprimer motor de gasolina de la historia, de cuatro tiempos, que fue la base para todos losmotores posteriores de combustión interna.

Original-Otto-Motor de 1876 Nikolaus August Otto

Primero, un pistón ajustado perfectamente al cilindro recibe un impulso descendente, demodo que el cilindro vacío absorbe una mezcla de gasolina y aire. Luego, ese pistónrecibe un nuevo impulso y comprime el vapor. En el punto de máxima compresión,dicho vapor se enciende y explota. La explosión dispara el pistón, y este movimientoacelerado es lo que hace funcionar el motor. Mueve un árbol que empuja otra vez alpistón para hacerle expulsar los residuos quemados, o «escape»; éste es el cuarto yúltimo movimiento del ciclo. Entonces el árbol mueve el pistón para repetir el ciclo.

1.1.5b -Motores de encendido por compresión




El 28 de febrero de 1892, Rudolf Diesel obtuvo la primera patente del motor que le hizofamoso. De hecho, este se diferencia de los de gasolina en un pequeño detalle: noprecisa chispa para iniciar la combustión.

Diesel, en su búsqueda de un motor de alto rendimiento, tuvo en cuenta que según los

principios termodinámicos del físico N.L Sadi Carnot, uno de los padres de latermodinámica, existía la posibilidad de que una mezcla de aire y combustible pudieraexplotar simplemente si se comprimía lo suficiente.

Diesel ideo un motor de cuatro tiempos y elevada compresión, capaz de funcionar condiversos tipos de combustibles pesados, tanto líquidos como sólidos. La primeratentativa, auspiciada por la firma Man, fue un fracaso. El motor simplemente exploto,Diesel necesito tres años mas para poner a punto el primer motor practico de este tipo.Fue en 1898, seis años después de registrar su patente, cuando presento en Munich, suprimer motor practico, un cuatro tiempos monocilíndrico, refrigerado por agua.

Diesel se dio cuenta de que los motores de gasolina ofrecían un rendimiento muy pobredebido a su baja relación de compresión. En aquellos tiempos esta era de apenas 6/1 (esdecir, la mezcla se comprimía hasta su volumen inicial), para evitar la detonación(explosión incontrolada) de la misma. Los motores Diesel debían funcionar conrelaciones de compresión de 20/1 e incluso superiores.La violencia de la explosión, así como la necesidad de una gran cantidad de aire parafuncionar, fueron los puntos débiles iniciales. Peso, volumen, ruido y vibracioneshicieron que los primeros motores Diesel solo se utilizaran en instalaciones estáticas, esdecir, para generar electricidad o mover máquinas.La alimentación de combustible fue el mayor obstáculo en la búsqueda de aumentar lavelocidad del motor, debido al método que se utilizaba en ese entonces: introducir

chorros de combustible dentro del motor con aire comprimido. Esto no permitía ningún





aumento en la velocidad y además la bomba de aire era una pieza complicada que nopermitía una reducción substancial en tamaño y peso.En el año 1927, Gracias a la bomba de inyección desarrollada por Robert Bosch, elmotor Diesel pudo alcanzar finalmente las carreteras y marcó el inicio de grandesavances y desarrollos, antes inimaginables, sobre todo en el sector automotriz.

1.1.6 - Turbinas de combustión interna

La primera referencia al fenómeno en que se basa la turbina hay que buscarla en el año130 AC de manos del filósofo egipcio Heron de Alejandría, que ideó un pequeño

juguete llamado eolípilo, que giraba a partir del vapor generado en una pequeña caldera

El rendimiento de las primeras turbinas de gas proyectadas en Francia y Alemania en elprimer cuarto de siglo oscilaba entre el 3 y 15 %, excesivamente bajo para su aplicaciónpráctica. Numerosas y costosísimas investigaciones, llevadas a cabo durante y despuésde la segunda guerra mundial en Alemania, Inglaterra, Estados Unidos y Francia, han

hecho posible los modernos turborreactores, que han invadido el campo de laaeronáutica y las modernas turbinas de gas que encuentran en un número creciente deaplicaciones en otros campos.

La turbina de gas no era una idea nueva: la patente para una turbina estacionaria fueotorgada a John Barber en Inglaterra en 1791. La primera turbina de gas que funcionóde forma autosostenida exitosamente, fue construida en 1903 por el ingeniero noruegoElling.

Las primeras patentes para la propulsión a chorro fueron otorgadas en 1917. Laslimitaciones en el diseño y en la metalurgia impidieron que estos tipos de motoresfuesen fabricados. Los principales problemas eran la seguridad, la fiabilidad, el peso yespecialmente el funcionamiento continuo.

Durante los años 1930, el motor de pistones en sus diferentes formas (radial estático yrotatorio, refrigerados por aire y líquido) era el único tipo de planta motriz disponiblepara los diseñadores aeronáuticos. Sin embargo, los ingenieros empezaron a comprenderque el motor de pistones estaba limitado en términos del máximo rendimiento que podíaalcanzar; el límite era esencialmente el de la eficiencia de la hélice. Ésta alcanzaba sumáximo cuando las puntas de las palas se aproximaban a la velocidad del sonido.

Si el rendimiento del motor, y por tanto del avión, se quería incrementar para superaresta barrera, se debía encontrar un nuevo modo para mejorar radicalmente el diseño delmotor de pistones, o se necesitaba desarrollar un nuevo tipo de planta propulsora. Estofue el motivo para el desarrollo del motor de turbina de gas, denominado comúnmentecomo motor "reactor".

Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenían una finalidad industrial, y noconseguían competir con los motores alternativos a pistón, debido siempre a su bajorendimiento máximo (20%). Pero sus características de bajo peso y pequeño volumenhicieron que, un poco antes del inicio de la segunda guerra mundial comenzara eldesarrollo de turbinas para uso aeronáutico. Así, Whittle en Gran Bretaña en 1930




concibió y patentó el uso de un reactor como medio de propulsión. Alemania, por suparte, también desarrolló en paralelo su primer motor a reacción para aviación.El desarrollo de la turbina de gas sólo ha sido posible tras desarrollar un compresoraxial a partir de la mejora de conceptos aerodinámicos, que han permitido altasrelaciones de compresión. El segundo de los pilares ha sido la innovación tecnológicaen el campo de los materiales, con el desarrollo de nuevas aleaciones monocristal yrecubrimientos cerámicos. Esto,unido a un profundo estudio dela refrigeración interior delalabe, ha permitido alcanzartemperaturas muy altas tanto encámara de combustión como enlas primeras ruedas de álabes.

Las turbinas a gas puedenoperar como sistemas abiertos ocerrados. Para el ciclo abiertolos elementos principales son:turbina a gas, compresor,cámara de combustión y turbina.Para el ciclo cerrado estoselementos son: turbina y dos intercambiadores de calor. El ciclo abierto es el máscomún.

Luego de este breve análisis primario de los hechos y aportes destacados en la vida de

las distintas máquinas térmicas se llega, por ultimo a la consideración de la másmoderna de ellas: los cohetes, máquinasque al mismo tiempo registran antecedentesque se remontan a comienzos del sigloXIII. Son los chinos, en 1232, utilizan loscohetes como armas de guerra. Luego laidea es aprovechada por los árabes y llegaposteriormente a Europa.A mediados de la 2º guerra mundial serevive el uso del cohete en la industriabélica.

Los desarrollos básicos que han permitidola destacada ubicación de está máquina enel campo de la astronáutica debenacreditarse a la labor y al esfuerzo deinvestigadores, tales como Ziolkovsky(1903) y A. Rynin, en Rusia; H. Obert, Max Valier, Fritz von Opel y otros en Alemania;Pelterie, en Francia; y Goddard, en Estados Unidos.





1.2.- Comparación de los Motores Térmicos

Para cada máquina térmica individual existe asociado un campo de aplicacióncaracterístico, un mercado, sin la existencia del cual cada una de las máquinas térmicasno habrían adquirido mayor relevancia. Entre los distintos campos de utilización pueden

distinguirse los siguientes: mecanización, electrificación, transporte, aeronáutica y astronáutica. Es muy importante el análisis de las cinco corrientes de progresomencionadas, porque permite destacar características a lo largo de un siglo, en primerinstancia la influencia relativa de los parámetros de potencia o rendimiento en laaplicación de una máquina térmica a un determinado mercado, y luego, ya en plenaépoca actual, el impacto causado por el comienzo de las eras nuclear y espacial.

La máquina alternativa de vapor encuentra su mercado en la Revolucion Industrial enInglaterra desde fines del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX, en un proceso detransferencia de artesanía a mano de obra industrial mecanizada con ayuda de lamáquina de Watt. Debido a la exigencia de potencia cada vez más elevadas, se da un

campo natural de aplicación y progreso. Estas máquinas comienzan a incursionar enotra actividad como es la Industria naval inglesa. La continua exigencia de potencialleva a la construcción de máquinas de dimensiones exageradas.

En 1890, con el fin de resolver el problema estructural de las máquinas térmicas,aparece el genio de Parsons con la turbina de vapor . Es la industria naval la queaprovecha las primeras realizaciones prácticas de la nueva máquina. Estas máquinaspermiten incrementar la potencia en la industria naval y en los procesos demecanización.Comienza a jugar un rol fundamental en el proceso de electrificación industrial, peropara ello la turbina de vapor tuvo que acreditar capacidad de rendimientos crecientes; enotras palabras, grandes concentraciones de potencia con rendimientos cada vez máselevados. Este proceso se consolida entre 1925 a 1940, y se establece la turbina devapor como máquina primaria indiscutida para las grandes centrales térmicas que sirvena la creciente electrificación. No se debe de olvidar que el progreso de está máquina estáíntimamente asociado con la industria del carbón, pues este es el combustible que hapermitido económicamente dicha evolución.

La tercer línea de progreso se relaciona con los motores de combustión interna. Allítambién se encuentra un mercado bien definido, el transporte, tanto terrestre comoaéreo, y el desarrollo de estas máquinas en forma paralela a la de la industria del

petróleo. En el origen, ninguna de estas dos grandes aplicaciones del motor decombustión interna, plantea a la máquina misma, exigencias de potencia o derendimiento, sino que el aporte que se manifiesta es simplicidad de diseño, menor peso,capacidad para aprovechar directamente (combustión interna) derivados del petróleo,etc. Esas notables características de la máquina le permiten servir, primero, el mercadodel automóvil, y luego, el de la aviación.

La aviación había nacido a comienzo del siglo XX (Wright, 1903), y entre los años1914 y 1939 encuentra en las aplicaciones militares de dos guerras mundiales sólidosapoyos para su desarrollo tecnológico.La industria aeronáutica ponía de manifiesto capacidad propia para construir naves

capaces de volar alto y a mayor velocidad, pero la misma resultaba frenada por la




incapacidad de potencia en el motor de combustión interna alternativo. Este habíallegado como limite, a unos 4.000 HP por unidad motora, y esa cifra no podía sersuperada por problemas de enfriamiento en la aplicación aérea. Se vuelve a repetir eldramático proceso que había protagonizado Parsons. Ahora es el ingles Whittle, en serel responsable del cambio, en el año 1948, con la primera aplicación exitosa de laturbina de gas como unidad propulsora de aviones. Se vuelve a romper la valla depotencia que se había creado y la industria aeronáutica retoma su ley natural deprogreso, elevando en poco tiempo la potencia de sus plantas motoras individuales a60.000 – 80.000 HP equivalentes, con lo cual produce naves que pueden duplicar laaltura y velocidad de vuelo.En la medida que la turbina de gas va acreditando su capacidad natural de rendimientocreciente, está máquina se acerca también al campo de la electrificación.El progreso de los turborreactores aeronáuticos ha permitido exceder las prediccionesmás optimistas en materia de confiabilidad, pues hoy resulta que estas unidades son

mucho más confiables que el motor alternativo, es decir que pueden alcanzar factores deutilización más elevados que sus predecesores.

Como ultima línea de progreso de las máquinas térmicas tenemos, los cohetes, quefiguran con los más remotos antecedentes y cuyas prodigiosas realizaciones son ya unlugar común en la época actual.Debemos destacar la transferencia constante de conocimiento científico y progresotecnológico desde la ingeniería espacial a la ingeniería de las máquinas térmicas. Porejemplo el desarrollo de los propulsantes sólidos y líquidos ha significado un mejorconocimiento de los combustibles y del proceso de combustión. La utilización denuevos sistemas de potencia que la ingeniería espacial ha desarrollado para servir las

necesidades de energía eléctrica a bordo de los satélites y naves cósmicas, ya se hanempezado a considerar como de posible interés económico para la ingeniería de lascentrales eléctricas.

1.3. - Máquinas de Combustión Interna y Externa

Se denomina Máquina Térmica a los dispositivos que tienen por objeto transformar laenergía calorífica en energía mecánica directamente utilizable.La energía calorífica puede provenir de diversas fuentes primarias: combustibles dediversos orígenes, energía eléctrica, energía atómica.Si la energía interna del combustible se convierte primero en calor y luego se transfiere

a un fluido de trabajo (fluido activo) que evoluciona dentro de la máquina, está sedenomina, de Combustión Externa (CE). Si por el contrario, el fluido activo estáconstituido por los mismos productos de la combustión, la máquina se denomina, deCombustión Interna (CI).

Es decir en los maquinas de CE, el fluido activo está completamente separado de losgases productos de combustión y durante su evolución a través de la máquina sólo seproducen transformaciones físicas. Esto implica que:

a) Puede utilizarse cualquier tipo de combustibleb) Es necesario la presencia de un generador de calor e intercambiadores para su

funcionamiento.c) Puede utilizarse como fluido activo cualquier sustancia dilatable.

d) El fluido activo puede recircularse a través de la máquina.e) La temperatura de combustión no es igual a la temperatura máxima de operación.





En las máquinas de CI, el fluido activo sufre transformaciones fisicoquímicas durante suevolución (proceso de combustión). Esto implica:

a) Sólo pueden utilizarse combustibles que quemen completamente, sin dejarresiduos nocivos en la cámara de combustión.

b) El fluido activo sólo puede ser gaseoso, en toda la evolución.c) No necesitan disponer de intercambiadores de calor, dado que latransformación de la energía interna del combustible se realiza dentro delmismo fluido activo.

d) Se debe renovar el fluido activo una vez que ha completado su evolución.e) La temperatura de combustión coincide con la temperatura de operación.

En cuanto a la manera como se canalizan las fuerzas creadas por las variaciones de laspropiedades del fluido activo, las máquinas térmicas pueden clasificarse en tres grandesgrupos: Alternativas, Rotativas y de Reacción.En resumen las máquinas térmicas pueden clasificarse de la siguiente manera:

.

1.4. - Rendimiento y aptitud de una Máquina Térmica

Recordando que la fracción de la entrada de calor que se convierte en la salida detrabajo neto es una medida del rendimiento de una máquina térmica.Es indudable que el concepto de rendimiento térmico es susceptible de falsasinterpretaciones en el sentido de considerarlo como el único objetivo de operación, afalta de un amplio punto de vista técnico económico.Al considerar cualquier proyecto de planta térmica generadora es necesario deducir unacifra de rendimiento térmico probable, de manera de poder hacer una estimación delcosto de combustible por unida generada

Máquinasde

CombustiónExterna

Máquinasde

CombustiónInterna

FluidoActivohomogéneo

FluidoActivohomogéneo

FluidoActivoheterogéne

Alternativas (motores de vapor) Rotativas (turbinas de vapor) De Reacción (cohetes

Alternativas (motores de airecaliente)

Rotativas (turbinas de gas en

ciclo cerrado

Alternativas (motores decombustión interna)

Rotativas (turbinas de gas enciclo abierto)

De Reacción (cohetes químicos)




No debemos olvidar las debidas consideraciones respecto a regularidad y continuidaddel servicio, reparaciones y costo de mantenimiento, significando la prueba final unacomparación entre la economía de combustible obtenida con la adopción de ciclos degran rendimiento termodinámico y térmico efectivo y las mayores cargas anuales decapital de los correspondientes equipos.La elección de una determinada máquina térmica está regida por un concepto específicode aptitud de la máquina, que significa una cierta condición natural para satisfacer dichoservicio.Pueden citarse varios ejemplos de aptitud en las aplicaciones de la máquina térmica,pero tal ves el más ilustrativo es el de la máquina térmica de CI en su aplicación altransporte. No existe allí exigencias de potencia, ni de rendimiento; pero lo queprevalece son netas razones de aptitud para dicho determinado servicio, aptitud que setraduce en flexibilidad de marcha, adecuada potencia especifica, capacidad para utilizarcombustibles derivados del petróleo, fácil mantenimiento, etc.

1.5. - Fuentes de energía en las Máquinas Térmicas.

En la naturaleza se presentan dos formas diferentes de energía: la energía de transito yla energía almacenada.La energía de tránsito podría decirse que es la energía en "movimiento", es decir,energía que es transferida o transportada hacia un sistema, y se presenta en dos formas,como calor (Q), en todas sus formas (radiación, convección, conducción) y trabajo(mecánico, eléctrico); estas son las formas de energías de utilización directa por parte dela humanidad.

Por otra parte la energía almacenada es, en la mayoría de los casos, energía asociada a lamasa del sistema (energía hidráulica-.energía potencial.-, energía química -.energíainterna.-, energía nuclear -.energía cinética.-). Dicha forma de energía puedeconsiderarse en estado "latente", convertible normalmente en alguna forma de energíade tránsito (energía hidráulica en energía mecánica).

Las fuentes de energía primaria aprovechables por los humanos podemos clasificarlasen dos grandes grupos:- Externas: Que llegan a la Tierra desde el espacio exterior.- Internas: Existentes en la Tierra.Estas fuentes de energía primaria son explotables por el hombre, algunas directamente

mediante una conversión directa en una energía de tránsito, como la energía hidráulica oeólica o la energía de las mareas, las cuales suponen aproximadamente un 17 % de lasenergías primarias consumidas actualmente y el resto se aprovechan a través de unaconversión indirecta, primero se transforman en calor, y después en energía mecánica, através de unos dispositivos especiales denominados máquinas térmicas. Mediante, esteúltimo sistema se transforma un 80 % de la energía primaria mundial consumida, un30% dedicado al transporte, y un 50% a la producción de energía eléctrica, energía fácilde transportar y de reconvertir en otro tipo de energía.

La primer fuente de energía utilizada por las máquinas térmicas es el "carbón", en lasmaquina de vapor. Luego con la aparición de los motores de combustión interna se

comienzan a utilizar los derivados del petróleo.





Toda la especulación que pueda hacerse sobre la forma de evolución futura de lasmáquinas térmicas debe fundarse en un sólido argumento vinculado con las fuentes deenergía susceptibles de ser transformadas, provengan estas de combustibles fósiles(carbón o petróleo) o de energía nuclear (fisión, fusión, energía solar).Por la magnitud de demanda de energía podemos diferenciar: las centrales eléctricas y

el transporte.Siendo la central eléctrica un conglomerado en el que juega fundamentalmente elparámetro rendimiento, será fundamental saber, para especular sobre el futuro de lamáquina térmica, si la energía nuclear puede llegar a superar económicamente elpotencial de los combustibles fósiles.En el caso del transporte, todos los esfuerzos se centralizan en el mejoraprovechamiento de la energía de los combustibles, esto es en los procesos decombustión.

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