Motor térmico
Un motor térmico es una máquina que convierte el calor en energía mecánica (trabajo). Aprovecha la tendencia del calor a fluir de áreas con temperaturas más altas a aquellas con temperaturas más bajas. Algunos ejemplos son la máquina de vapor , la turbina de vapor y todos los motores de combustión interna .
Por el contrario, una máquina que utiliza energía mecánica para transportar energía térmica desde un nivel de temperatura más bajo a uno más alto se denomina máquina combinada de calor y energía , bomba de calor o máquina de enfriamiento .
Los motores térmicos utilizan procesos de ciclo "en el sentido de las agujas del reloj" en los que se recorre la curva cerrada en el diagrama Ts o diagrama Pv en el sentido de "de arriba a derecha, de abajo a izquierda". Las bombas de calor utilizan procesos de ciclo "en sentido antihorario". Los procesos de comparación ideales se utilizan para evaluar la eficiencia de los procesos circulares . La base teórica de estos procesos es la ecuación térmica del estado de los gases ideales con las tres variables de estado del gas: presión , temperatura , volumen y la constante universal del gas .
Eficiencia
La eficiencia de un motor térmico es la proporción de energía térmica que fluye desde el nivel superior de temperatura que se convierte en energía mecánica utilizada. Un límite superior para él por la eficiencia del ciclo de Carnot , donde, en la absorción y liberación de calor a niveles de temperatura definidos y provocados, y sin fricción, Wärmeabfluss- y pérdidas de transferencia de calor. Lo siguiente se aplica a él:
El requisito previo para lograr el grado de eficiencia de Carnot es que todos los subprocesos del ciclo estén diseñados para ser reversibles . Esto es sinónimo del hecho de que una cantidad llamada entropía S del sistema general que consiste en el motor térmico y el medio ambiente no crece. (De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , no puede disminuir, por lo que debe permanecer constante).
( dQ es la cantidad de calor intercambiado en un paso de proceso infinitesimalmente pequeño, T la temperatura asociada):
La eficiencia de Carnot nunca se logra en la práctica porque
- la absorción de calor también a temperaturas inferiores y la emisión de calor también a temperaturas superiores a las que tiene lugar (por ejemplo, en el proceso Stirling ),
- A pesar del aislamiento, siempre hay transporte de calor sin intercambio de trabajo,
- cada máquina tiene pérdidas por fricción, lo que también empeora la relación entre el calor y el flujo de trabajo, y finalmente
- en procesos de ejecución rápida, el flujo de calor requiere una diferencia de temperatura debido a la resistencia térmica que no desaparece, que se pierde para la conversión en trabajo (ver conducción de calor ).
La cantidad característica utilizada para las bombas de calor es el coeficiente de rendimiento .
Un parámetro importante para la eficiencia de los motores de pistón es el grado de expansión, a veces también llamado eficiencia de expansión. Esta es la diferencia de volumen entre el gas comprimido y el gas expandido al final del ciclo de trabajo.
En el caso de las turbinas , la relación de presión o la relación de temperatura del gas de trabajo o combustible en la entrada de la turbina a la salida de la turbina es decisiva para el grado de eficiencia.
También es importante que el exponente isentrópico del gas de trabajo sea lo más alto posible . Esta es una relación entre la capacidad calorífica de un gas a la misma presión y la del mismo volumen. La libre elección del gas de trabajo solo está disponible para máquinas con circuito cerrado.
Ejemplos de
Motor de combustión interna
Los motores de combustión interna tienen temperaturas de combustión de hasta 2500 ° C (2773 K) y temperaturas finales de trabajo del gas de alrededor de 1000 ° C (1273 K). Por tanto, la eficiencia teóricamente máxima alcanzable sería
En la práctica, en condiciones óptimas, los motores de gasolina alcanzan un 38% de eficiencia, los motores diésel un 45% y los motores diésel marinos de baja velocidad un 50%. En los automóviles de pasajeros, en condiciones reales de conducción con una alta proporción de operación de carga parcial, los motores de gasolina suelen lograr una eficiencia promedio en el tiempo de menos del 25% y los motores diésel menos del 30%.
Planta de poder de ciclo combinado
Una máquina térmica puede tener varios procesos de ciclo que se combinan (por ejemplo, planta de energía de ciclo combinado : combinación de turbinas de gas -prozesses con una planta de energía de vapor ):
- Utilización de la capacidad de trabajo de un proceso en el rango de temperatura de 1500 a 700 ° C en la turbina de gas, luego con los gases de escape del proceso de la turbina de gas
- Utilización de la capacidad de trabajo de un proceso en el rango de temperatura de 700 a 100 ° C en la planta de energía de vapor,
por lo que teóricamente se puede lograr la eficiencia de un proceso de ciclo (comparativo) en el rango de temperatura de 1500 a 100 ° C. Las centrales eléctricas de ciclo combinado alcanzan eficiencias de hasta el 60% en la práctica.
Motor de vapor de pistón
Las máquinas de vapor de pistón en un proceso cerrado funcionan con temperaturas de vapor de hasta 350 ° C. El proceso de comparación para estos motores es el proceso de igual presión . La eficiencia rara vez supera el 20%. Los motores Stirling pueden convertir el calor en energía en un rango de temperatura aún más bajo (por ejemplo, el calor residual del proceso de vapor). Según la ecuación de Carnot, la eficiencia apenas alcanza más del 10% al 20%.
Turbina de gas
Las turbinas de gas funcionan con temperaturas de entrada de la turbina de 1300 ° C a 1400 ° C y temperaturas de los gases de escape de 800 ° C a 600 ° C. El proceso de comparación es el proceso de Joule . Las turbinas no alcanzan la eficiencia de los motores de pistón debido a las temperaturas máximas más bajas .
Turbina de vapor
Las turbinas de vapor funcionan con temperaturas máximas de 600 ° C a 700 ° C y temperaturas finales de 130 ° C. El proceso de comparación es el proceso de Joule o el proceso de Clausius-Rankine . A pesar de la baja temperatura de trabajo del vapor, el proceso alcanza eficiencias superiores al 30% debido a la buena capacidad calorífica y la buena conductividad térmica del vapor de agua en el calentador y en el condensador .
Clasificación (tipología)
Dado que se utiliza un gas como medio de trabajo, los motores térmicos pertenecen a las máquinas de energía de fluido térmico .
Según el tipo de generación de energía térmica
- Motores de combustión interna (máquina de energía de fluido térmico con combustión interna ) Como regla general, una mezcla de aire e hidrocarburos después de la compactación para el encendido traído y quemado. En el motor de pistón en la cámara del cilindro y en la turbina en la cámara de combustión . Los hidrocarburos se pueden mezclar con el aire y el oxígeno en forma líquida o gaseosa . La eficiencia de las máquinas con combustión interna es superior a la eficiencia de las máquinas con combustión externa (a pesar de mejores propiedades de trabajo del gas , capacidad calorífica y exponente isentrópico con combustión externa) porque no hay transferencia de calor. motor de gas ( motor de gasolina λ = 1 temperatura máxima de combustión 2500 K, motor diesel λ = 1,4 temperatura máxima de combustión 2200 K)
- Turbina de gas , turbofan ( motor de queroseno λ = 4-6 temperatura máxima de combustión 1500 K, temperatura máxima de los gases de escape del turbocompresor 1300 K)
- Máquinas de energía térmica de gas con combustión externa Como regla, se utilizan combustibles sólidos y baratos para calentar el gas de trabajo ( carbón , madera , basura). También se utilizan a menudo combustibles líquidos y gaseosos inferiores (petróleo crudo, petróleo pesado , gas industrial y biogás ). Una aplicación típica son también las barras de combustible de las centrales nucleares . Como gases de trabajo , el helio y el hidrógeno son mucho más eficientes que el vapor o el aire o los gases de escape , porque las tres propiedades importantes de los gases de trabajo ( capacidad calorífica , exponente isentrópico, coeficiente de transferencia de calor ) son mejores.
- Turbina de vapor (temperatura máxima de vapor de 800 K a 1000 K)
- Motor de vapor (temperatura de vapor inferior 500 K, temperatura de vapor superior 800 K)
- Motor Stirling (temperatura de helio más baja 400 K)
Después de la acumulación de presión
-
Motores de pistón
- Motor de combustión (combustión interna)
- Motor de vapor (combustión externa)
- Motor Stirling (combustión externa)
Ver también
enlaces web
- Más detalles en Physikon Physik-Lexikon (21 de noviembre de 2020 en Internet Archive ).
- Alfred Kischke: Los motores de gas. Breve presentación de los tipos más importantes de máquinas de gas. De Gruyter, 1909. (Reimpresión: ISBN 978-3-11-101818-8 )
- Motor de gas. En: Meyers Großes Konversations-Lexikon. Volumen 7, Leipzig 1907, págs. 372-375. (en línea en: zeno.org )
- Motor de tornillo de vapor. a: hessenenergie.de (PDF; 1,8 MB)