Generadores y Motores II. Térmicos. TECNOL.

Categoria:

Tecnología

Una máquina térmica está constituida fundamentalmente por un sistema o medio que absorbe energía en forma de calor y la cede en forma de trabajo. Aquella parte de la máquina que tiene por objeto comunicar calor al sistema, partiendo de la fuente original de energía, recibe el nombre de generador, mientras que aquella otra parte en la que el sistema evoluciona produciendo el trabajo se denomina motor. En ciertos tipos de máquina térmicas estas dos partes están bien diferenciadas, mientras que en otras se juntan y no es posible distinguirlas, aunque su respectiva misión siga estando clara y diferenciada.

Tipos de máquinas térmicas. Los medios que se utilizan generalmente para la transformación calor-trabajo son el vapor de agua y el aire. El primero actúa únicamente corno fluido transmisor de la energía, pero el segundo, además de realizar este papel es, al mismo tiempo, el agente que reacciona con el combustible para desarrollar la energía. Ello da origen a dos tipos de máquinas: las de combustión externa y las de combustión interna.

En las de combustión externa es donde g. y m. están mejor diferenciados. El g. está constituido por el rogar, en el que se quema el combustible, y por la caldera, en la que se introduce el agua, generalmente en forma líquida, para que absorba el calor de los gases del hogar. Con objeto de disponer de una gran superficie para el intercambio de calor, las calderas modernas ~on, en üeneral, tubulares, pudiendo ser el agua o los gases de la combustión los que circulen por el interior de los tubos, según los tipos.

El valor de agua que sale de las calderas de vapor está a alta presión y temperatura, magnitudes cuyos valores son variable, según la aplicación de la caldera y su modelo. En las instalaciones industriales se suele empleas vapor con presiones de salida inferiores a los 20 Kg/crn=, pero en las grandes centrales térmicas se trabaja en lu zona cíe las 150 atm. (150 Kg/cm=)y los 550’1C de iempcratura del vapor. En general, el rendimiento de las máquinas térmicas es mayor cuanto más alta sea la temperatura del vapor, pero superar estas presiones y temperaturas entraña complicaciones y encarecimiento de las calderas, que no suelen compensar el aumento de rendimiento.

Tipos de motores. Los m., tanto en las máquinas de combustión externa como en las de combustión interna, son de dos tipos fundamentales: de pistón y turbinas.

En los m. de pistón, el vapor que sale de la caldera es introducido en un cilindro con pared móvil (pistón) en el cual se expansiona, originando trabajo. En general suelen ser de doble efecto, ya que se introduce el vapor por las dos caras del pistón alternativamente, por medio de unos orificios o lumbreras que se abren y cierran mediante una corredera sincronizada con el movimiento del pistón (fig. 1). La fig. 2 representa el diagrama presión-posición del pistón para un cilindro de este tipo. En el punto A se cierran las lumbreras, y se comprime el vapor residual; en el punto B se abre la válvula de admisión, que se cierra en C, y en D se abre la de escape, que permite la expulsión del vapor. Junto a él se representa el ciclo idealizado que se utiliza para estudiar el comportamiento termodinámico de este tipo de máquinas (ciclo de Rankine), constituido por dos isobaras, una isocora y una adiabática (v. TERMODINÁMICA).

Las máquinas de pistón son útiles para potencias relativamente pequeñas, hasta los 1.000 CV, y trabajan normalmente con presiones y temperaturas también bajas. Además, los m. de pistón (o máquinas de vapor por antonomasia) tienen el problema de transformar el movimiento lineal del pistón en movimiento circular, lo cual exige la incorporación de un cigüeñal. Ello hace que operen a pequeñas velocidades.

Para la operación en centrales de gran envergadura, en las que el rendimiento es un factor muy importante, y, por tanto, hay que procurar operar a grandes temperaturas y presiones de vapor, se utilizan normalmente turbinas. Éstas constan de un rodete de álabes (fig. 3), a los que van acopladas una serie de toberas por donde entra el vapor. La fig. 3 corresponde a una turbina de acción. En ellas el gas pierde presión en la tobera, se dilata y adquiere una gran velocidad. En su choque con los álabes de la turbina, les transfiere su energía cinética. En otros tipos de turbinas, denominadas de reacción, los álabes mismos tienen forma de tobera, con una sección inferior en la entrada de gas que en la salida, y el gas se expansiona dentro de la propia turbina. Considerando la turbina de reacción en reposo, o viendo las cosas, por decirlo así, desde el interior de la misma, las consecuencias de la expansión son que el vapor sale hacia atrás con una cierta velocidad (con una cierta cantidad de movimiento), mientras que los álabes son lanzados hacia adelante por el mismo efecto con que funcionan los cohetes. Pero como, a su vez, los álabes se están moviendo, visto el fenómeno desde fuera de la turbina, el resultado es que el gas, que entró con una velocidad muy pequeña y con una presión alta, sale también con velocidad muy pequeña, pero con la presión baja, habiendo cedido toda su energía a los álabes.

Una turbina normal consta de varios rodetes dispuestos en serie, de forma que en cada uno de ellos el vapor sufre una pequeña expansión, siendo recogido a la salida por unos álabes fijos, que actúan, a su vez, de toberas para inyectar el vapor en la siguiente fase de la turbina.

Existen turbinas que trabajan con mercurio como fluido termodinámico. El mercurio reúne varias ventajas importantes: permite trabajar a temperaturas muy altas, a las cuales el agua se descompone, y tiene una presión de vapor muy baja a temperaturas ordinarias. Normalmente las turbinas de mercurio hacen operar a este fluido entre los 1.200° C, a la salida de los hornos, y los 550-500° C, a la salida del refrigerante. En este refrigerante el mercurio se enfría con agua, la cual sale a una temperatura tan alta que puede ser empleada, a su vez, como fluido en otros rodetes de la misma turbina. La combinación de ambos ciclos termodinámicos, mercurio y agua, equivale a un ciclo único, con un intervalo de temperaturas tan alto que el rendimiento es muy superior al que se podría lograr con agua únicamente.

Los m. y las turbinas de gas tienen una disposición y propiedades generales comparables a los de vapor. Los m. se utilizan en pequeñas instalaciones (fundamentalmente en el transporte), y su ventaja principal consiste en la ausencia de caldera, pues el mismo cilindro en que se produce la expansión de los gases actúa como cámara de combustión. Esta combustión se puede realizar en forma de explosión más o menos brusca, después de haber llenado el cilindro con aire y combustible (ciclo Otto) o más gradualmente, por medio de una inyección de combustible, que se va quemando a medida que el aire es admitido en el cilindro (ciclo Diesel).

Las turbinas de gas se han desarrollado recientemente, debido principalmente al problema planteado por la gran temperatura que alcanzan los álabes. Éstos son estructuras muy finas y difíciles de refrigerar que llegan a fundirse si no encuentran las condiciones apropiadas.

La combustión se realiza inyectando aire y combustible en un quemador exterior a los rodetes. El desarrollo de calor incrementa la energía cinética o de presión del aire, y el gas y productos de combustión, a altas temperaturas, entran en los álabes. Como en el caso de las turbinas de vapor, los rodetes pueden ser de acción y reacción, y, también como ellas, admiten escalonamientos. Las dificultades metalúrgicas que surgen en la construcción de álabes apropiados vienen compensadas con la mayor simplicidad de la instalación al poder prescindir del hogar y la caldera.

V. t.: TERMOTECNIA; MOTORES; TURBINAS.

J. GONZÁLEZ IBEAS.

BIBL.: W. STANIAR, Prime movers, Nueva York 1966; M. LuCINI, Turbomáquinas de vapor y de gas, Barcelona 1956; L. C. LICHTY, Internal Combustion Engines, Nueva York 1951.