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MOTORES TÉRMICOS - Contenido educativo

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Subido el 6 de febrero de 2019 por Isabel L.

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En esta ocasión vamos a hablar de motores, de motores técnicos. 00:00:03
El motor quizás es el alma de cualquier máquina, porque es la parte de la máquina que es capaz de transformar energía en movimiento. 00:00:08
Y está claro que si las máquinas no tienen movimiento, pues difícilmente podemos conseguir los objetivos que pretendemos con su construcción. 00:00:20
Por lo tanto, los motores son siempre el alma de todas las máquinas. De hecho, la palabra ingeniera viene de la palabra máquina y máquina muchas veces se puede poner a través de ese pseudónimo. 00:00:30
O sea que para un ingeniero los motores son una parte fundamental y hay que estudiar los motores. 00:00:45
Pero evidentemente ya sabemos que como las máquinas se van a clasificar en función de la energía que les alimenta. 00:00:54
En este caso hablamos de motores térmicos. 00:01:04
Sí que es cierto que en los últimos años se tiene muy mala prensa. 00:01:08
Porque efectivamente la energía térmica de los motores se suele obtener mediante procesos de combustión. 00:01:12
Los combustibles que se han ido utilizando son combustibles fósiles y los procesos mediante los cuales se aprovechan estos combustibles son procesos de combustión que traen como consecuencia la generación de dióxido de carbono, principal causa del cambio climático y del efecto invernadero. 00:01:20
Y bueno, pues sabemos que existen actualmente muchas conferencias que están intentando en la medida de lo posible, pues eliminar el posible consumo de este tipo de energía y el uso de este tipo de motores. 00:01:39
Aparte de eso, los motores térmicos tienen otro hándicap y es que los rendimientos son muy bajos. 00:01:56
Entonces, aunque se utilizan, hay diversas formas que pueden mejorar el rendimiento de los motores térmicos, como por ejemplo intentar utilizar el gas residual de los gases producidos en la combustión mediante intercooler o otros sistemas. 00:02:03
aún así los rendimientos siguen siendo muy bajos. 00:02:23
Por lo tanto, pues bueno, tenemos que conocerlo porque son partes de nuestro presente 00:02:29
actualmente todavía tienen mucha importancia y se utilizan en muchas aplicaciones tecnológicas 00:02:34
pero bueno, pues en un futuro próximo con los combustibles fósiles en forma de agotamiento 00:02:43
y con los graves problemas que entraña el uso, o mejor dicho, el abuso de los motores térmicos, 00:02:53
pues quizás haya que plantearse otro tipo de motores que sustituyan a estos. 00:03:02
Una breve introducción, aunque la breve introducción podría ser muchísimo más larga, 00:03:09
porque podría abarcar muchos conceptos de tipo científico. 00:03:19
En esta lección, al igual que en la siguiente, la de motores eléctricos, podríamos hablar de todo lo que son los sistemas de transformación energética. 00:03:24
Por lo tanto, la base fundamental de esta lección y la de la siguiente son principios termodinámicos. 00:03:35
Si no tenemos claros los principios termodinámicos y no los entendemos, pues nos va a resultar casi imposible entender esta lección. 00:03:42
y la siguiente, que va sobre motores. 00:03:53
Comenzaremos por un clásico, la máquina de vapor. 00:03:57
No es porque sea importante hoy en día, porque hoy en día prácticamente no se utiliza, 00:04:02
que se sabe, a lo mejor tenemos que volver a ella, 00:04:07
pero las máquinas de vapor, desde el punto de vista histórico, son muy importantes, 00:04:10
porque fueron las que provocaron la revolución industrial 00:04:16
y las que dieron nacimiento a la industria y a los sistemas productivos actuales. 00:04:19
Fue la que hizo que se automatizase los procesos, que disminuyese la mano de obra, 00:04:28
que mejorase la producción, la cantidad y por lo tanto fue causa fundamental el uso de la máquina de vapor. 00:04:36
fue parte de nuestra historia y fue la causa fundamental 00:04:45
o podría decir que fue una de las causas fundamentales de la sociedad en la que ahora nos movemos. 00:04:51
Vamos a hablar también de los motores de combustión interna, 00:04:57
tanto los de auto como los de diésel. 00:05:02
Hoy en día prácticamente todos los vehículos se utilizan este tipo de motores, 00:05:04
aunque ya sabemos que está fomentando el cambio a otros tipos de motores. 00:05:12
Hablaremos un poquito también sobre las turbinas de vagas, las turbinas en general, 00:05:19
aunque las turbinas son máquinas hidráulicas y haremos una especial mención cuando veamos los circuitos neumáticos hidráulicos. 00:05:25
Hablaremos también de máquinas hidráulicas y neumáticas y entre ellas hablaremos de turbinas. 00:05:37
Pero sí que es cierto que las denominadas turbinas de gas son los sistemas mediante los cuales podemos tener motores a reacción. 00:05:43
Son los sistemas que hacen que los aviones alcancen las velocidades necesarias para que por efecto Magnus se puedan sustentar en el aire 00:05:54
y podamos molar, podamos ir a tantas velocidades y por encima de la Tierra. 00:06:05
Después hablaremos de los circuitos frigoríficos o si queremos los de aire acondicionado, 00:06:13
las bombas de calor, porque claro, efectivamente el calor es importante, 00:06:19
pero el frío, aunque conceptualmente se dice que no existe, tecnológicamente sí existe. 00:06:25
desde el punto de vista científico el frío es solamente la ausencia de calor 00:06:31
lo que realmente existe es el calor que es un tipo de energía 00:06:36
el frío como tal no existe 00:06:40
sin embargo desde el punto de vista técnico sí que podemos hablar de frío 00:06:43
y bueno pues de las bombas de calor que es un sistema 00:06:48
que nos va a permitir invertir los procesos 00:06:51
es un sistema mediante el cual podemos refrigerar o calentar 00:06:55
dependiendo de cómo trabaje la boca. 00:07:00
Bueno, pues con esto, que yo aquí la he resumido en tres conceptos básicos, 00:07:04
de que es un motor y de que es un motor térmico, 00:07:12
como aquella parte capaz de transformar energía térmica en otros tipos de energía. 00:07:18
Y bueno, pues la clasificación de los monitores térmicos es bastante compleja, 00:07:24
porque se puede tener en cuenta varias cuestiones. 00:07:29
Hay dos factores importantes. 00:07:34
¿Dónde se realiza el proceso de combustión? 00:07:36
Si se realiza en el seno del motor o fuera del motor, 00:07:39
o sea, si la combustión es interna o externa. 00:07:43
Y luego, ¿qué tipo de movimiento a qué tipo de movimiento damos lugar? 00:07:45
Si es movimiento rotativo o si es movimiento alternativo. 00:07:49
Entonces, dependiendo de estos dos factores, 00:07:53
podríamos tener una gran clasificación 00:07:56
de nuestras máquinas térmicas, el primero de nuestros motores 00:07:59
que es la máquina de vapor 00:08:08
en la máquina de vapor lo que ocurre es que tenemos 00:08:10
realmente dos circuitos 00:08:16
dos circuitos y un pistón, entonces tenemos un circuito en el que 00:08:17
entra el vapor a alta temperatura 00:08:24
y claro, tiende a hacer que se expanda el pistón que tenemos en esta diapositiva, 00:08:27
que tenemos en amarillo, hace que se expanda el pistón y a medida que se va expandiendo el pistón 00:08:35
va comprimiendo el gas que está en la cámara de color azul. 00:08:41
Entonces la compresión de ese gas que está en la cámara de color azul 00:08:47
hace que una válvula, que se llama válvula corredera, tenga un movimiento alternativo 00:08:51
y permita que el gas que está a alta temperatura entre por un lado o por otro lado del pistón, 00:08:58
dando lugar a un movimiento alternativo. 00:09:09
Ese movimiento alternativo, con una biela, se convierte en un movimiento rotativo 00:09:12
que es el que hace que se mueva una rueda, por ejemplo. 00:09:20
Es el típico movimiento que haría que la máquina de un tren a vapor se moviese 00:09:24
o que un telar girase. 00:09:32
Entonces, como vemos, en su momento esto se hacía con carbón. 00:09:36
La combustión es muy sucia, la combustión de carbón. 00:09:41
Además, todo combustible sólido, como tal, aunque se le pulverizase, tuviese poco tamaño de grano, es muy sucio y además se generan muchas cantidades de cenizas. 00:09:44
Las cenizas son altamente contaminantes porque tienen un pH muy básico, entonces el pH quema lo que sea. 00:09:57
donde estén las cenizas, hay que vitrificarlas para impedir que contaminen los suelos, y los suelos y las aguas, 00:10:07
porque ya sabemos que con la lluvia puede haber disidiación, puede llegar a los acuíferos, los acuíferos pueden llegar a los ríos, etc. 00:10:14
Entonces, pues bueno, en su momento fue una revolución industrial, y nunca mejor dicho, 00:10:24
pero lo que sí es cierto es que ha sido superada con creces por otros motores térmicos 00:10:30
y bueno, aquí la hemos descrito por su importancia a nivel histórico. 00:10:36
Algo que aún se sigue utilizando, aunque mucha gente por motivos económicos 00:10:46
no prefiere el ciclo en los motores diésel antes que los motores de gasolina. 00:10:53
Lo que sí es cierto es que el rendimiento de un motor de gasolina es superior al movimiento de un motor diésel. El motor diésel es menos contaminante, aunque sí que es cierto que las gasolinas son más caras que el diésel, que el gasóleo. 00:10:59
Bueno, en esencia los motores diésel tienen lo que se llaman cilindros, como aquí tenemos, aquí vemos un cilindro, ¿vale? Entonces, en un cilindro hay un pistón que se mueve de forma alternativa y ese movimiento alternativo, pues, es el que, pues, da lugar a un movimiento rotativo, a giros, ¿no? 00:11:18
Entonces, ese pistón se va a mover entre dos puntos, que son dos puntos, el punto muerto inferior y el punto muerto superior, y a la longitud de ese desplazamiento se la denomina carrera, con lo cual existe un volumen mínimo de compresión. 00:11:41
En el caso del motor de gasolina es necesario que exista una bujía porque el combustible necesita superar una cierta energía de activación para que comience esa combustión. 00:11:59
Y se llama combustión interna, como se me indica, porque la combustión se realiza en el interior del propio motor. 00:12:16
Ahora, si representamos el ciclo termodinámico de un motor de gasolina, es también conocido como ciclo de Otto, ya sabemos que los ciclos termodinámicos se pueden representar en distintos tipos de diagrama. 00:12:23
En este caso, pues podemos utilizar diagramas de tipo PV, ¿vale? 00:12:40
En estos diagramas PV, la superficie que hay en el interior del ciclo representa el trabajo que se realiza con esta máquina térmica, ¿vale? 00:12:46
Entonces, lo que se hace en los motores de gasolina, hay dos formas de trabajo para trabajar, para aumentar la efectividad. 00:12:59
lo que se conoce con el nombre de motor de cuatro tiempos 00:13:07
y lo que se conoce con el motor de dos tiempos 00:13:11
en realidad como vemos aquí 00:13:16
el proceso termodinámico 00:13:17
se puede asociar más fácilmente al motor de cuatro tiempos 00:13:20
que al motor de dos tiempos 00:13:24
hay una primera etapa 00:13:25
que sería la que va desde 0 a 1 00:13:27
en el cual pues no hay variación de presión 00:13:30
pero sí de volumen 00:13:34
Es decir, el pistón pasaría de estar en el punto más alto, en el punto muerto superior al punto muerto inferior, en el cual lo que se hace es abrir la válvula de admisión y dejar que entre combustible. 00:13:35
Generalmente entra combustible y el combustible suele entrar junto con aire, con convulente. 00:13:52
¿Vale? Entonces, del punto 1 al punto 2, ¿vale? Del punto 1 al punto 2, lo que se va a verificar es una contracción de ese combustible, ¿vale? 00:14:00
Y esa contracción, lógicamente, tiene que ir seguida con un aumento de presión. Pero lo que no hay en ningún momento es una transferencia de calor. Por lo tanto, 1-2 es una adiabática, ¿vale? Es una adiabática, es un proceso sin transferencia de calor, ¿vale? 00:14:18
De 2 a 3, lo que ocurre es que tenemos el combustible alojado en lo que es el volumen final de compresión, ¿vale? 00:14:45
Y de 2 a 3, una vez que hemos hecho el movimiento de compresión, se da lugar la combustión propiamente dicha. 00:14:58
Se hace que la bujía suelte una chispa y entonces, pues evidentemente se genera, se va a generar una gran cantidad de calor, ¿vale? Una gran cantidad de calor. 00:15:08
que al dar lugar en ese proceso de combustión como se genera una gran cantidad de gases 00:15:23
hace que se expanda el pistón, vuelva otra vez al punto muerto inferior por otra diabática 00:15:32
sin transferencia de calor y finalmente lo que hacemos es expulsar los gases 00:15:41
con una pequeña compresión a volumen constante, abriendo la válvula de expulsión. 00:15:49
Esto yo creo que se queda bastante bien reflejado. 00:16:01
Si conocemos a qué corresponde cada proceso, tenemos una isobara, es decir, a presión constante, que es a presión atmosférica. 00:16:06
Luego tenemos dos adiabáticas, una isócora, que es a volumen constante, y otra isócora. 00:16:16
El proceso se va repitiendo. 00:16:26
Podríamos asociar cada uno de estos movimientos con el pistón, como vemos aquí, la admisión, la compresión, la explosión y el escape. 00:16:28
entonces en el caso de los motores de cuatro tiempos que son los más potentes 00:16:44
lo que se hace es que estos pistones se unen a un árbol de levas 00:16:51
y están en distintos tiempos de forma alternativa 00:16:58
y eso hace que el movimiento de la rueda sea continuado 00:17:03
porque si no, no tendríamos movimiento continuado 00:17:07
Es posible pasar del motor de cuatro tiempos al motor de dos tiempos, para lo cual en el primer tiempo tendríamos una admisión-explosión y en el segundo tiempo tendríamos una expansión-escape de los gases. 00:17:10
Es típico, por ejemplo, en las motos. En las motos se da este tipo. Y en este caso, como es un poco más rápido, lo que se suele hacer es añadir un poco de aceite al propio combustible para que se lubrique por dentro. 00:17:31
Bueno, como vemos el ciclo de Otto es un ciclo que es bastante complejo y que después pues yo creo que lo vamos a entender mucho mejor si hacemos algún problema en el cual pues utilicemos esto que estamos comentando. 00:17:53
La principal diferencia entre el ciclo de oto y de diésel es que en el caso del ciclo de diésel 00:18:12
el combustible se inyecta y debido a que el combustible diésel es mucho más pesado 00:18:26
que la gasolina no precisa de bujía 00:18:34
Simplemente el proceso por combustión, esa compresión calienta lo suficientemente el combustible como para que entre en combustión. 00:18:39
El ciclo termodinámico también, como vemos, es un poquito diferente. 00:18:49
Tenemos una admisión, tenemos dos adiabáticas y luego tenemos una isobara y una isocora. 00:18:54
En la cual también podemos tener del ciclo de Otto, cuatro tiempos, admisión, compresión y ya os digo, no necesitamos bujía porque al comprimir entra en autocombustión el propio diésel. 00:19:00
entonces es 00:19:22
combustión 00:19:24
expansión y escape 00:19:26
y aquí pues lo mismo tendremos 00:19:28
el de dos tiempos 00:19:31
que también pues 00:19:32
se da lugar al desamparo 00:19:34
otro 00:19:36
otro motor 00:19:41
muy importante, muy interesante 00:19:43
dentro del mundo de la técnica 00:19:48
son los turboreactores 00:19:50
que son los típicos 00:19:53
motores que se emplean 00:19:55
para los aviones 00:19:57
Los tubos de reactores, lo que tenemos es que tenemos un compresor y una turbina que están conectados por el mismo eje 00:19:58
Es decir que cuando se mueve el compresor se mueve la turbina 00:20:13
Y el movimiento de la turbina es lo suficientemente rápido como para que se mueva el aire y entonces se alcancen unas velocidades suficientemente altas como para, por efecto Magnus, poder sustentar aviones en el aire. 00:20:16
Las partes de un turbo reactor las tenemos aquí en esta diapositiva y como vemos pues la parte más interesante es la cámara de combustión en donde al calentar los gases pues se va a dar lugar a estos procesos que estamos comentando que hacen que las turbinas se muevan a gran velocidad. 00:20:34
Y el ciclo termodinámico es el ciclo de Brighton que tenemos aquí indicado. Lo tenemos primero como proceso de presión-volumen y luego también lo tenemos expresado en función de temperatura entropía, que es otro tipo de diagrama que dependiendo del tipo de transformaciones, sobre todo si hay transformaciones adiabáticas, 00:20:57
Es muy interesante, porque de alguna manera se puede expresar mucho más fácil cuando hay transformaciones adiabáticas en este tipo de diagrama termodinámico, temperatura, entropía. 00:21:27
Las fases que se dan en este tipo de ciclo, bueno, entonces tenemos el aire, aire que va a entrar, que se comprime y entra comprimido al conjunto con el combustible, a las cámaras de combustión. 00:21:45
entonces ahí como está, tenemos el aire muy comprimido 00:22:47
los gases salen a gran velocidad 00:22:51
y son los que hacen que la turbina se mueva a gran velocidad 00:22:55
hay que tener cuidado de que las turbinas no se quemen 00:23:02
por lo tanto nunca pueden entrar a más de 1700 Kelvin 00:23:37
y también veremos algún ejemplo 00:23:41
en el cual yo creo que estas cosas nos van a quedar más claras, sobre todo los tipos, al hacer un cálculo de los caudales de entrada y de salida, nos va a quedar todo bastante más claro. 00:23:51
Y como hemos dicho al principio de esta unidad, el frío es en realidad ausencia de calor. Es decir, que si yo absorbo calor en algún punto, genero frío. Y esa es la idea fundamental en la que se basan los sistemas de refrigeración, de generación de calor, etc. 00:24:07
A ver, los circuitos que se usan para estos fines son iguales, lo único que se, son iguales por ejemplo a los de una central térmica o son los iguales a los circuitos de calefacción, lo único es en el sentido que se recorre, ¿no? 00:24:31
Entonces, siempre vamos a tener dos intercambiadores de calor. Uno es el condensador. En un condensador lo que ocurre es que el gas condensa y se convierte en líquido. 00:24:53
entonces cuando un gas condensa y se convierte en líquido 00:25:06
pues hay que evacuar el calor latente de ese proceso 00:25:13
se genera calor 00:25:22
cuando por el contrario yo paso de líquido a gas 00:25:24
Entonces, necesito calor, el calor latente de evaporación para realizar ese proceso. Por lo tanto, si no se le da calor, lo tiene que absorber del ambiente. 00:25:30
Entonces, ¿qué pasa? Cuando yo genero agua sobrecalentada, por ejemplo, en una planta nuclear, el ciclo termodinámico es igual, pero se recorre en sentido contrario. 00:25:47
En ambos casos es lo que se llama el ciclo de Rankine. Pero cuando yo lo recorro en sentido contrario, lo que voy a hacer es absorber calor y entonces vamos a tener o bien aires acondicionados o bien circuitos frigoríficos. 00:26:04
¿De qué va a depender? Pues va a depender principalmente de las características del fluido que exista dentro de estos circuitos, pero en ambos casos los principios son los mismos, ¿vale? Depende del fluido que tengamos en el circuito. 00:26:22
Es lo mismo, o sea, el ciclo termodinámico se va a recorrer en sentido inverso, pero el ciclo termodinámico en ambos casos es un ciclo de Rankine, ¿vale? 00:26:38
En donde efectivamente lo que vamos a hacer o lo que vamos a tener es, pues, una evaporación y una condensación. 00:26:48
Y por lo tanto tendremos una válvula de expansión y un compresor, ¿no? 00:27:02
Entonces, dependiendo, ya os digo, del tipo de refrigerantes, pues se puede recorrer en un sentido o en otro. 00:27:07
Los refrigerantes también están dando problemas, porque muchos de ellos tienen cloro dentro de sus moléculas. 00:27:15
Y hay un problema con la capa de ozono, con la creación de la capa de ozono, que de alguna forma inhibe ese proceso de creación de la capa de ozono, con lo cual dejan pasar más rayos ultravioletas de lo que a nosotros nos gustaría y eliminan ese filtro de protección que es la generación de ozono en las capas estratosféricas. 00:27:26
En la troposfera también se genera ozono, pero por otras causas. Se están cambiando los fluidos refrigerantes, tanto para aires acondicionados como para circuitos frigoríficos, pero bueno, todavía hay algún circuito frigorífico antiguo que no cumple las normativas europeas, etc., y que necesitaría una revisión. 00:27:53
Y como en el caso anterior, para entender perfectamente cómo funcionan los ciclos termodinámicos, lo mejor es que hagamos algunos ejemplos en donde pongamos esto en práctica. 00:28:22
Aquí tenéis representado tanto el diagrama presión, en este caso es el diagrama presión entalpía 00:28:35
Y bueno, el que ya hemos comentado de temperatura entropía, que es bastante utilizado también 00:28:44
Entonces, presión entalpía es un diagrama termodinámico muy utilizado en circuitos de aire acondicionado 00:28:53
¿Vale? Evidentemente aquí estamos tratando aspectos puramente termodinámicos, pero hay aspectos que son técnicos, son aspectos técnicos importantes, que están relacionados, por ejemplo, con las áreas, 00:29:00
Están relacionados con los procedimientos mediante los cuales se hace la transferencia de calor, la diferencia que hay entre una conducción, una convección, una radiación, que tendríamos que tenerlos en cuenta sobre todo a la hora de diseñar los intercambiadores de calor. 00:29:17
y que, bueno, pues da lugar a una serie de problemas tecnológicos 00:29:43
y que están por encima de este nivel en los que se engloban los famosos números adimensionales 00:29:50
como el NUSET, como los números de FOB, etc. 00:30:01
Y que ya os digo que, bueno, si alguien tiene especial interés, pues que se ponga en contacto conmigo 00:30:05
yo le paso la información, pero que a este nivel lo más importante es que sepáis utilizar e interpretar 00:30:12
los diagramas termodinámicos y que estas cuestiones las podemos dejar sobre transferencia de calor, 00:30:19
transmisión de calor, quizás hagamos algún ejercicio, pero las dejamos para cursos superiores. 00:30:29
Finalizado los aspectos fundamentales. 00:30:38
Idioma/s:
es
Autor/es:
ISABEL LAFUENTE
Subido por:
Isabel L.
Licencia:
Reconocimiento
Visualizaciones:
98
Fecha:
6 de febrero de 2019 - 21:30
Visibilidad:
Público
Centro:
IES JAIME FERRAN
Duración:
30′ 46″
Relación de aspecto:
1.78:1
Resolución:
1920x1080 píxeles
Tamaño:
738.78 MBytes

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