Download estructura cristalina - IES Gabriela Mistral

BLOQUE V: MOTORES
1. MÁQUINAS TÉRMICAS.
1.1 Conceptos previos.
Termodinámica: es la parte de la ciencia que estudia las transformaciones del calor en
energía mecánica y viceversa. Por lo tanto estudia los efectos de los cambios de la
temperatura, presión y volumen de los sistemas a nivel macroscópico. Termo (calor)
significa energía en tránsito y dinámica se refiere al movimiento, por lo que, en esencia,
estudia la circulación de la energía y cómo la energía se transforma en trabajo.
Sistema: Se puede definir un sistema como un conjunto de materia limitado por una
superficie que le pone el observador, real o imaginaria.
Un sistema abierto: es cuando existe un intercambio de masa y de energía con los
alrededores; es por ejemplo, un coche. Le proporcionamos combustible y él desprende
diferentes gases y calor.
Un sistema cerrado: es cuando no existe un intercambio de masa con el medio
circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; por ejemplo, en un reloj de
cuerda no introducimos ni sacamos materia de él; sólo precisa un aporte de energía que
emplea para medir el tiempo.
Un sistema aislado: cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los
alrededores. No existen los sistemas aislados, sin embargo un termo lleno de café
caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e
intenta impedir que la energía (calor) salga de él.
Máquina térmica: Máquina cuya misión es intercambiar energía térmica y energía
mecánica. El calor necesario, se puede obtener a partir de una reacción química, este lo
absorbe o cede un sistema, normalmente un fluido, que realizará una serie de
transformaciones termodinámicas, de cuyo análisis se puede calcular el trabajo
producido o requerido y el rendimiento de la máquina.
Energía Interna: Es la suma de las energías cinéticas y de interacción de los
constituyentes microscópicos de un sistema.
1.2 Leyes de la Termodinámica
La termodinámica dispone de distintas leyes que postulan que la energía puede ser
intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo.
Primera ley de la termodinámica
La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la
termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema
físico aislado permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede
transformarse en otra forma de energía.
Por lo tanto esta primera ley podemos enunciarla como:
“En toda transformación que experimenta un sistema cerrado la diferencia entre el calor
intercambiado con el medio exterior y el trabajo realizado por el sistema es un valor
constante, siempre y cuando el estado de equilibrio inicial sea el mismo y el estado de
equilibrio final también sea el mismo”.
Joule comprobó experimentalmente que podía llevar un sistema de un estado inicial de
equilibrio a un estado final de equilibrio, siguiendo diferentes caminos, pero que la
diferencia de ambas energías permanecía constante.
1
La ecuación general de la conservación de la energía es la
siguiente:
E entra − E sale = Δ E del sistema, que aplicada a la
termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos
termodinámico, queda de la forma:
Δ U = Q − W.
Δ U. Variación de la energía interna del sistema.
(Fijarse en el criterio de signos)
Q. Calor absorbido por el sistema.
W. Trabajo realizado por el sistema
Segunda ley de la termodinámica
El segundo principio tiene carácter cualitativo y advierte de la imposibilidad de
construir ciertas máquinas térmicas.
Existen varios enunciados de este segundo principio, todos ellos equivalentes:
Enunciado de Clasius: “Es imposible transportar el calor de un cuerpo frío a un cuerpo
caliente, a menos que al mismo tiempo se consuma trabajo”
Enunciado de Carnot: “Es imposible transformar en trabajo la totalidad de calor
entregado al fluido, mediante cualquier máquina térmica.”
Las conclusiones que se pueden extraer de estos principios son los siguientes:
1. Es más fácil convertir trabajo en calor que calor en trabajo.
2. Para la transmisión del calor y, por tanto, para la conversión de calor en trabajo
es necesario que exista una diferencia de temperaturas, es decir debe existir un
FOCO FRÍO Y UN FOCO CALIENTE.
3. Establece la dirección espontánea en el proceso de transformación del calor: del
cuerpo de mayor temperatura (foco caliente) hacia el cuerpo de menor
temperatura(foco frío). Para realizarlo en sentido contrario debemos aportar un
trabajo.(MAQUINA FRIGORÍFICA)
De las conclusiones del segundo principio se deduce que para construir una máquina
térmica, SE DEBE CONTAR CON DOS FOCOS A DISTINTA TEMPERATURA, que
faciliten la transmisión de calor, en cuyo camino se situará el fluido que mediante
transformaciones termodinámicas transformará parte del calor absorbido en trabajo
mecánico. Su esquema es (esquema de un motor térmico):
Tc
Qc
Qc ó Q1: Calor obtenido desde el foco caliente y
recibido por el fluido.
Qf ó Q2: Calor cedido por el fluido al foco frío.
W: Trabajo realizado por el fluido.
Qf
Tf
Tercera ley de la termodinámica
Afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto.
2
1.3 Variables termodinámicas
Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema se llaman variables
termodinámicas y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son
masa, volumen, densidad, presión y temperatura.
1.4 Procesos termodinámicos
Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación
termodinámica, cuando al menos una de las variables termodinámicas no cambia. Los
procesos más importantes son:
Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.
Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.
Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.
Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.
1.5 Procesos reversible e irreversibles
Se dice que un proceso es reversible cuando podemos hacer que recorra su trayectoria a
la inversa. En la práctica este hecho es imposible y en la naturaleza todos los procesos
son irreversibles.
En todo proceso, el trabajo realizado no depende sólo del trabajo inicial y final sino que
también depende del camino seguido, ya que el área bajo la curva, que representa el
trabajo realizado, puede ser diferente.
2 Ciclos Termodinámicos:
Ciclo abierto, cuando no coincide el estado de equilibrio inicial y el estado de equilibrio
final de un sistema que ha experimentado cierta modificación.
Ciclo cerrado, Es el conjunto de transformaciones termodinámicas que describe un
fluido en el interior de una máquina térmica, de forma que comienza y termina en un
mismo punto, es decir en las mismas condiciones de presión, temperatura y volumen.
Por lo tanto en un ciclo cerrado la variación de energía interna es nula.
3
2.1 CICLO DE CARNOT
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, estableció el ciclo termodinámico ideal del que
se puede obtener el máximo rendimiento TEÓRICO posible en una máquina térmica,
tanto motor como máquina frigorífica, trabajando entre dos focos a T1 y T2.
Este ciclo se conoce por el nombre de ciclo Carnot y está formado por dos
transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas.
El Ciclo de Carnot es reversible, esto quiere decir que se puede realizar tanto en el
sentido de las agujas del reloj (motor térmico), como en el sentido contrario (máquina
frigorífica), y que además esta inversión puede realizarse en cualquier punto. Este tipo
de transformaciones no se dan en la naturaleza, siendo por lo tanto el ciclo de Carnot, un
ciclo TEÓRICO.
Si lo realizamos en el sentido de las agujas del reloj (motor térmico) tendremos:
De 1 a 2: Expansión isotérmica. El fluido toma
un calor Q1 desde el foco caliente T1 y realiza un
trabajo sobre el exterior, aumentando su volumen
de V1 a V2. Al no haber variación de temperatura,
no hay variación de energía interna, por lo tanto el
calor absorbido es igual al trabajo realizador
W1 = Q1 (Área bajo la curva)
De 2 a 3: Expansión adiabática. El fluido realiza
un trabajo aumentando su volumen de desde V2 a
V3 a expensas de su energía interna, disminuyendo
su temperatura de T1 a T2.
De 3 a 4: Compresión isotérmica. El fluido cede un calor Q2 al foco frío y recibe un
trabajo disminuyendo su volumen de V3 a V4. Una vez más al tratarse de una
transformación sin variación de temperatura, no hay variación de energía interna, por lo
tanto el calor Q2 es igual al trabajo pero, al tratarse de calor cedido, tendrá signo
negativo.W2 = Q2. (Área bajo la curva).
De 4 a 1: Compresión adiabática. El fluido recibe un trabajo (signo negativo),
disminuyendo su volumen desde V4 a V1lo que provoca que aumente su energía
interna, aumentando su temperatura de T2 a T1.
El rendimiento de una máquina de Carnot está determinado tan solo por la temperatura
del foco frío T2 y del foco caliente T1:
T
η  1  2 Obsérvese que el rendimiento es mayor cuanto mayor sea la diferencia de
T1
temperaturas y tiende a cero según se aproximan ambas temperaturas.
4
3. Motores térmicos.
Motor térmico: Dispositivos mecánicos que trabajando cíclicamente, transforman calor
en trabajo útil.
El calor que necesita un motor térmico para su funcionamiento puede tomarlo de
múltiples fuentes: Gasoil, carbón, madera, gas, biomasa…
Estos motores también se conocen como motores de combustión.
Para que exista un flujo de calor debe haber dos temperaturas diferentes. Para producir
trabajo neto, una máquina térmica ha de funcionar entre dos focos de calor, uno
caliente, del que extraemos calor Qc, y otro frío que recibe una cantidad de calor Qf. La
diferencia Qc - Qf será el trabajo realizado.
Tc
Ecuaciones Motores Térmicos:
Tc>Tf
Qc  W  Q f 
W  Qc  Q f
Rendimient o : η 
Qc
Qf
W Qc  Q f

 1
Qc
Qc
Qc
Se puede demostrar que η  1 
Tf
Tc
Qf
(T en K)
(K = ºC+273)
Tf
Errores frecuentes: Se dice Kelvin, no grados Kelvin. No se pone ºK, tan solo K. Las diferencias de
temperaturas en Kelvin o en grados centígrados coinciden, pero no así los cocientes Error grave.
3.1 .Clasificación de los motores térmicos.
En función de dónde se realiza la combustión, los motores térmicos se clasifican en:
a) Motores de combustión externa: Son aquellos en los que la combustión se
realiza en el exterior de la propia máquina. El calor desprendido al quemarse el
combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía
mecánica a través de una máquina alternativa o rotativa. Ejemplos: Máquina de
vapor y turbinas de vapor de las centrales térmicas.
b) Motores de combustión interna: En estos motores la combustión se produce en
una cámara interna del propio motor, siendo los gases generados los que causan
directamente, por expansión, el movimiento de los mecanismos del motor.
Ejemplos: Motores de explosión, turbinas de gas, turbohélices.
En función de la forma en que se obtienen la energía mecánica:
a) Motores alternativos, en los cuales el fluido de trabajo actúa sobre pistones
dotados de movimiento alternativo de subida y bajada.
b) Motores rotativos, el los que el fluido actúa sobre turbinas, que tienen un
movimiento giratorio.
c) Motores de chorro o a reacción, en los que el fluido es el encargado de producir
el empuje por principio de acción y reacción. Turbohélice, turbofán.
5
3.2. Ventajas e inconvenientes de los motores rotativos frente a los
alternativos:
a. Ventajas:
• Suavidad de funcionamiento y sin vibraciones.
• Peso y volumen reducido con relación a la potencia que se genera.
• Gran sencillez mecánica al suprimir los pistones convencionales, la biela y el
cigüeñal acodado.
• Muy fiables y bajo mantenimiento (engrase de órganos rotatorios).
• Mayor rendimiento térmico.
• Fácil automatización.
b. Inconvenientes
• Aleaciones especiales que soporten grandes temperaturas.
• Más consumo de combustible.
• Mayor complejidad en su construcción.
• Problemas de estanqueidad en las cámaras.
3.3 Elementos fundamentales de los motores de combustión interna
Ver vídeo
Culata: es el elemento que protege la parte superior del motor.
Bloque: se encuentra entre la culata y el cárter. Es la parte más pesada del motor. En él
se encuentran los cilindros, los orificios de refrigeración y lubricación, así como los
soportes de diferentes piezas del motor.
Cárter: es el elemento que protege la parte inferior del motor a la vez que sirve para
depósito de lubricante.
Cilindro: es un hueco con forma cilíndrica practicado en el bloque en él que se realiza
la combustión y sobre el que se desplaza el pistón.
Pistón: se encuentra en el cilindro y puede desplazarse sobre él, transformando la
energía térmica de la combustión (que se realiza sobre su superficie) en energía
mecánica de traslación. Cada desplazamiento del pistón se denomina carrera ( L ).
Segmentos: son unos aros de un material muy duro y resistente que rodean al pistón y
cierran la cámara de combustión con el cilindro en cada carrera.
Bulón: es el elemento de unión del pistón con la biela.
Biela: junto con el cigüeñal, transforma el movimiento rectilíneo del pistón en rotativo.
Cigüeñal: en él están conectadas todas las bielas del motor y transfiere la energía
rotativa a la caja de cambios del motor.
Volante de inercia: acumula energía en forma de momento inercia cuando se realiza
una combustión, para cederla al motor cuando la precise, dando la sensación de un
movimiento continuo. Se encuentra en un extremo del cigüeñal.
Válvula de admisión: es la válvula que deja pasar los gases de la combustión
(comburente –aire- más combustible en los motores Otto o bien, sólo comburente en los
motores Diesel) al cilindro.
Válvula de escape: es la válvula que deja salir los gases de la combustión al exterior.
Carburador: sólo es necesario en los motores Otto, en él se produce la mezcla de
comburente y combustible. Actualmente sustituido por las bombas de inyección en los
vehículos.
Bomba de inyección: en los motores Diesel, es el elemento que proporciona al
combustible la presión necesaria para entrar en el cilindro.
Bujía: se usa en los motores Otto y es el elemento encargado de proporcionar la chispa
de ignición en el interior del cilindro. LOS MOTORES DIESEL NO TIENEN
Delco: en los motores de combustión interna con ciclo Otto, es el elemento distribuidor
de la corriente de alto voltaje, que hace llegar por turno a cada una de las bujías.
Actualmente sustituido por microprocesadores en los vehículos.
6
Inyector: en los motores Diesel, es el elemento encargado de introducir el combustible
dentro del cilindro en la proporción y presión determinada. Actualmente también en
motores gasolina.
Árbol de levas: es un elemento perfectamente sincronizado con el cigüeñal que permite
la apertura y cierre de las distintas válvulas del motor controlando sus fluidos.
Tubo de escape: es el elemento que permite la evacuación de los gases, una vez
quemados, al exterior.
Silenciador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la contaminación
acústica que pueden producir estos motores.
Catalizador: se encuentra en el tubo de escape, su misión es reducir la emisión de NO2,
monóxido de carbono, y la emisión de combustible a la atmósfera.
Embrague: es el elemento que nos permite desconectar y conectar la transmisión de
energía mecánica desde el motor al eje de salida.
Caja de cambios: nos permite modificar la relación de transmisión desde el motor a las
ruedas en función de las necesidades.
Diferencial: Permite reducir la velocidad angular de la rueda interior cuando el vehículo
toma una curva.
3.4 Principales parámetros en los motores de combustión interna con
movimiento alternativo.
PMS (Punto Muerto Superior). Indica la máxima altura que puede alcanzar el pistón.
PMI (Punto Muerto Inferior). Indica la mínima altura que puede alcanzar el pistón.
Carrera ( L ): distancia que puede recorrer el pistón, es decir, distancia que hay entre el
PMS y el PMI.
Relación de compresión Rc = V1/V2
V1 = VT = Volumen total del cilindro, se obtiene cuando el pistón se encuentra en el
PMI.
V2 = Vc = Volumen de la cámara de combustión, es el volumen del cilindro que
queda cuando el pistón se encuentra en el PMS.
Cilindrada unitaria: Representa el volumen barrido por el pistón al pasar desde el
PMS al PMI, es decir, es el volumen barrido en una carrera. Vu= V1- V2
Cilindrada total ( Vt ): Representa el volumen útil total de los cilindros del motor.
Vt = N Vu (N: número de cilindros. Suele utilizarse cm3 como unidad)
Dosado ( D ) Representa la proporción de aire necesaria para quemar un combustible
determinado. D= masa de aire / masa de combustible
3.5 CICLO IDEAL OTTO
Nicolaus Otto fue un ingeniero alemán que, a mediados del siglo XIX, diseñó el motor
que lleva su nombre y, aunque en nuestro país es más conocido como el motor de
gasolina de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles como alcohol, butano,
propano, etc. También se denomina Motor de encendido provocado (MEP)
7
Tiempos del motor Otto (4 tiempos)
Tiempo 1º Admisión. (Transformación isóbara 0 - 1): en este momento, el pistón se
encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón
hacia el PMI, entrando en el cilindro comburente más combustible mezclados.
Tiempo 2º Compresión. (Transformación adiabática 1 - 2): cuando el pistón llega al
PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS
comprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W1. Al ser la
transformación adiabática no hay transferencia de calor.
Tiempo 3º Combustión – expansión. (Transformación isócora 2 - 3 y adiabática 3 - 4):
cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, se produce una chispa en la bujía,
inflamando la mezcla y aumentando considerablemente la presión dentro del cilindro
(Q1 es el calor generado en la combustión). En este momento se inicia la única carrera
útil del ciclo haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI. En la expansión se
genera el trabajo positivo W2.
Tiempo 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 y isobara 1-0): cuando
llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación de los
gases quemados a la atmósfera, el resto de los gases son expulsados por el pistón en su
ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la de
admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
El trabajo neto W, producido en el ciclo es W =W2 −W1
8
Motores de encendido provocado de dos tiempos (MEP-2T)
En el ciclo de dos tiempos se realiza el ciclo completo en dos carreras de pistón. Como
ventajas frente a los de dos tiempos destacamos: Tienen mayor potencia por
producirse trabajo en cada vuelta del cigüeñal, son motores
mucho más simples que los de cuatro tiempos pues no
poseen válvulas ni distribución y tienen un mejor
funcionamiento del sistema de transmisión. El
funcionamiento básico es el siguiente:
 (admisión y compresión) a) Primera media vuelta de
cigüeñal: el pistón sube comprimiendo la mezcla fresca y
descubriendo una lumbrera (orificio situado en la parte
inferior de la pared de cilindro) por donde entra la mezcla
al cárter. Se produce la chispa y comienza a bajar el pistón.
  (expansión +escape) b) Segunda media vuelta de
cigüeñal: casi al final de la bajada del pistón se descubre la
lumbrera de escape y se expulsan los productos quemados (inicio de expulsión ). Poco
después entra el combustible que entró al cárter, a través de la lumbrera de transferencia
y entra mezcla fresca procedente del cárter desalojando los productos quemados a través
de la lumbrera de escape.
Como inconvenientes frente al os motores de 4 tiempos cabe destacar: el rendimiento
es ligeramente menor porque se expulsa parte del combustible sin quemar y además en
el cilindro en la fase de compresión junto con la mezcla fresca queda algo de gas
quemado no desalojado. Dado su modo de funcionamiento, el aceite lubricante se ha de
mezclar en el depósito con el combustible y por tanto se quema con él, por lo que estos
motores son especialmente contaminantes. Las aplicaciones de los motores MEP de dos
tiempos son en donde se requiere poco peso y no importa mucho la pérdida de
combustible por el tubo de escape como motocicletas, cortacésped, aeromodelismo, etc.
3.6 CICLO IDEAL DIESEL
Rudolff Diesel fue un ingeniero alemán que, a finales del siglo XIX, diseñó el motor
que lleva su nombre y, aunque en nuestro país es más conocido como motor de gasoil
de cuatro tiempos, pueden utilizarse otros combustibles como aceites ligeros de origen
aceite mineral o vegetal como el aceite de girasol. También se denomina motor de
encendido por compresión (MEC)
Es de notar que si el MEP y MEC tuviesen la misma relación de compresión, el MEP
sería mayor que el del MEC, pero como no es así, porque en el MEP la relación de
compresión se encuentra limitada por el peligro de autoinflamación de la mezcla aire
combustible, en la realidad el MEC  MEP.
Aplicaciones: Este tipo de motores es requerido donde se necesitan grandes potencias y
una reducción de combustible.
9
Tiempos del motor Diesel
Tiempo 1º Admisión. (Transformación isobara 0 - 1): en este momento, el pistón se
encuentra en el PMS, se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón
hacia el PMI, entrando en el cilindro sólo comburente (aire).
Tiempo 2º Compresión. (Transformación adiabática 1 - 2): cuando el pistón llega al
PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso hasta el PMS
comprimiendo considerablemente al aire. Esta compresión eleva la temperatura del aire.
Tiempo 3º Combustión – expansión. (Transformación isobárica 2 - 3 y adiabática 3 4): cuando el pistón se encuentra próximo al PMS, por el inyector, se introduce el
combustible a gran presión, produciéndose una explosión como consecuencia del calor
desprendido en el roce del aire con el combustible, aumentando considerablemente la
presión dentro del cilindro. En este momento se inicia la única carrera útil del ciclo
haciendo que el pistón pase desde el PMS al PMI.
Tiempo 4º Expulsión o escape. (Transformación isócora 4 - 1 y isobara 1 - 0): cuando
el pistón llegue de nuevo al PMI se abre la válvula de escape provocando la evacuación
de los gases quemados a la atmósfera. El resto de los gases son expulsados por el pistón
en su ascenso al PMS. Cuando llega al PMS se cierra la válvula de escape y se abre la
de admisión iniciándose un nuevo ciclo con el descenso del pistón.
Isobárica
10
3.7 Sobrealimentación
La sobrealimentación es un sistema para incrementar la potencia de los motores de
combustión interna, consistente en aumentar la cantidad de mezcla combustible
admitida en el cilindro con respecto a la que entraría en él como consecuencia del
simple movimiento del émbolo durante el tiempo de admisión. El resultado final de la
sobrealimentación es que con motores más pequeños conseguimos la potencia de
motores mayores.
La sobrealimentación se consigue aumentando la presión del aire o de la mezcla
combustible a la entrada del cilindro. Para ello se intercala en el circuito de entrada un
compresor, accionado por una turbina movida gases de escape: este dispositivo recibe
el nombre de turbo-compresor.
Como los gases se calientan a la salida del
compresor, y este aumento de temperatura no
resulta conveniente para incrementar la potencia,
se suele instalar a la salida del compresor un
intercambiador de calor, que tiene como misión
enfriar los gases antes de que penetren en el
motor. Este dispositivo se designa con el término
inglés “ Turbo Intercooler”. El aumento de la
temperatura de la admisión es la causa que este
dispositivo se utilice sobre todo en MEC.
4 Máquinas Frigoríficas:
Máquinas frigoríficas: Dispositivos que absorbiendo trabajo intercambian calor entre
dos focos. Se puede considerar como un motor térmico que funciona en sentido inverso.
Realizan el ciclo de Carnot en sentido contrario a las agujas del reloj.
Ejemplo frigorífico doméstico: Qf representa el calor de los alimentos en el interior de
frigorífico; W el trabajo que realiza el motor que acciona el compresor que actúa sobre
el fluido refrigerante; Qc el calor que se cede a la cocina mediante el serpentín que se
halla en la parte posterior.
Ecuaciones Máquinas frigoríficas:
Tc>Tf
Qc  W  Q f 
W  Qc  Q f
Eficiencia :  MF 
Qf
W

Qc
Qf
Qc  Q f
Se puede demostrar que  MF 
Tc

Tf
Tc  T f
Qf
(T en K)( también se denomina COP: coeficiente de
Tf
operación)
c
11
4.1 Ciclo termodinámico de las máquinas frigoríficas. Componentes.
a  b El fluido refrigerante
se comprime adiabáticamente
en el compresor, aumentando
su temperatura. Este proceso
se realiza a expensas de un
trabajo (W) que consume el
compresor.
b  c El refrigerante entra en
el condensador, cede calor Q1
entregándolo a la zona de
mayor temperatura, pasando
el refrigerante a fase líquida.
Este proceso se realiza a
temperatura constante.
c  d Se reduce la presión del refrigerante mediante la válvula de expansión, de manera
que a la salida de la válvula el refrigerante se encuentra en fase líquida y abaja presión.
Este proceso se realiza adiabáticamente (no hay intercambio de calor con el exterior).
d  a El líquido pasa por el evaporador, absorbiendo calor de los alrededores (zona que
se quiere refrigerar), ya que su tendencia es regresar a su estado de equilibrio (fase de
vapor). Este proceso es isotérmico (temperatura constante). A partir de aquí se inicia de
nuevo el ciclo.
4.2 Componentes de una máquina frigorífica.
Motor que transforma la energía eléctrica en mecánica que cede al compresor.
Compresor que normalmente es de émbolo y su misión es hacer circular el fluido
refrigerante por la instalación, proporcionando una presión y caudal adecuados. Aspira
vapor frío proveniente del evaporador a una presión baja y lo descarga comprimido, a
una mayor presión y temperatura, a la entrada del condensador.
Condensador: Es un tipo de intercambiador de calor que podemos ver en la parte
posterior de los frigoríficos.
Evaporador: Es, en lo esencial, idéntico al condensador
Válvula selectora que nos permite invertir la circulación del fluido refrigerante por los
diversos elementos de la instalación: serpentines y toberas. Nunca es el compresor el
que gira al revés.
Válvula de expansión que siendo un elemento simple es imprescindible y que consiste
en una reducción brusca de la sección del tubo (valdría un simple martillazo en un punto
de la tubería).
A parte de estos elementos, la instalación consta de termostatos para regular la
temperatura y válvulas de llenado o vaciado de fluido.
4.3 Funcionamiento bomba de calor
Existe la posibilidad de ceder Q1 a un sistema que actúa como foco caliente (a
temperatura T1 ) absorbiendo calor del ambiente Q2 que se encuentra a temperatura
menor T2 . En este caso el dispositivo recibe el nombre de bomba de calor.
Si una máquina frigorífica funciona como calentador recibe el nombre de bomba de
calor. Para ello basta con que la habitación sea el foco caliente y el exterior sea el foco
frío.
12
Ecuaciones Bombas de Calor:
Tc>Tf
Qc  W  Q f 
W  Qc  Q f
Eficiencia :  BC 
Qc
Qc


W Qc  Q f
Se puede demostrar que  BC 
Tc
Tc  T f
(T en K) (Observa que matemáticamente es mayor que 1)
( también se denomina COP: coeficiente de operación)
Trabajando como circuito de refrigeración, la bomba de calor, tiene un funcionamiento
idéntico al de una máquina frigorífica. Cuando trabaja como calefacción, el
condensador se encuentra en el interior y el evaporador en el exterior (al contrario que
en un circuito frigorífico).
4.4 Funcionamiento como maquina reversible
Un sistema de refrigeración se hace reversible, introduciendo en él una válvula
inversora que selecciona el sentido del flujo del refrigerante, y por lo tanto, la
instalación podrá trabajar como máquina frigorífica (aire acondicionado) o bomba de
calor (calefacción), haciendo que los intercambiadores funcionen como condensador o
evaporador según se trate de verano o invierno.
Válvula
selectora
13
14
15
16
17
FASE ESPECÍFICA JUNIO 2010
Coincidentes junio 2010 OPCIÓN A
Coincidentes junio 2010 OPCIÓN B
18
Septiembre 2006
19