Motor térmico

Motor térmico: balance energético

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 ):

  1. 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
  2. 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

Después de la acumulación de presión

Ver también

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