Máquinas térmicas generadoras de energía mecánica

Las máquinas térmicas, tales como las de vapor, motores térmicos y turbinas, se utilizan para transformar energía térmica en trabajo mecánico. Este tipo de máquinas recibe calor de fuentes de alta temperatura (como energía solar, petróleo o carbón) y lo convierte en trabajo, normalmente en forma de rotación de un eje, liberando el calor residual hacia una fuente de baja temperatura. Todas estas máquinas operan dentro de un ciclo termodinámico.

2.1. Máquinas de Combustión Externa

Las máquinas de vapor son un ejemplo típico de este tipo de máquinas térmicas. En estas, la combustión externa genera calor que calienta un fluido (agua o cualquier otro líquido) en un circuito cerrado. Este fluido se vaporiza y el vapor resultante, a alta presión y temperatura, es utilizado para realizar trabajo mecánico.

A. Instalaciones de Vapor

Las instalaciones de vapor son utilizadas en centrales térmicas, y su funcionamiento implica diversos componentes que mejoran el rendimiento del sistema. A continuación, se describe el proceso de forma simplificada:

1. Generación de calor: La combustión de materiales como carbón, gasóleo o gas natural en los hornos genera una gran cantidad de calor.
2. Absorción del calor: El calor generado calienta el agua en la caldera, la cual se convierte en vapor de alta presión.
3. Expansión del vapor: El vapor caliente se utiliza para mover una turbina, que realiza trabajo mecánico.
4. Condensación: Tras salir de la turbina, el vapor se enfría y condensa en un condensador, liberando calor a una fuente fría (generalmente agua de un río o del mar).
5. Recirculación: El agua condensada es bombeada de nuevo a la caldera para continuar el ciclo.

B. Turbinas de Vapor

Las turbinas de vapor son los dispositivos más comunes para transformar la energía térmica en energía mecánica. En lugar de usar sistemas alternativos de cilindro y pistón, las turbinas convierten la energía del vapor en trabajo mediante un proceso de expansión controlada.

Turbinas de Acción: El vapor, a alta presión y temperatura, incide sobre las palas de una rueda, causando que esta gire. El vapor expande su energía potencial en energía cinética al pasar por las palas, generando movimiento en la rueda.

Turbinas de Reacción: En estas turbinas, el vapor pasa por una serie de palas fijas y móviles. El vapor pierde presión y su velocidad aumenta a medida que pasa de un rodete a otro.

C. Ciclos Termodinámicos

En el caso de las máquinas térmicas, el ciclo ideal de Carnot es el modelo de referencia para el análisis del rendimiento térmico. Sin embargo, en las máquinas reales, como las instalaciones de vapor, el ciclo se aproxima al Ciclo Clausius-Rankine, que incluye los siguientes pasos:

1. Adquisición de calor (Qₕ): El calor se genera en la combustión (Qₕ) y se transfiere al fluido en la caldera. Este calor es absorbido de forma isotérmica.Qh=m⋅cp⋅(T2−T1)Q_h = m \cdot c_p \cdot (T_2 – T_1)Qh​=m⋅cp​⋅(T2​−T1​)Donde:
   • mmm es la masa del fluido
   • cpc_pcp​ es la capacidad calorífica del fluido
   • T1T_1T1​ y T2T_2T2​ son las temperaturas de entrada y salida en la caldera.
2. Expansión isotérmica (en la turbina): El vapor se expande isotérmicamente, manteniendo la temperatura constante durante la expansión. Esta es la fase de conversión de calor en trabajo mecánico.Wturbina=m⋅R⋅T1⋅ln⁡(V2V1)W_{\text{turbina}} = m \cdot R \cdot T_1 \cdot \ln \left(\frac{V_2}{V_1}\right)Wturbina​=m⋅R⋅T1​⋅ln(V1​V2​​)Donde:
   • RRR es la constante de los gases
   • T1T_1T1​ es la temperatura del vapor antes de entrar a la turbina
   • V1V_1V1​ y V2V_2V2​ son los volúmenes específicos a la entrada y salida de la turbina.
3. Condensación isotérmica (en el condensador): El vapor, al salir de la turbina, pasa por un condensador donde se enfría, cediendo calor a la fuente fría a una temperatura constante TcT_cTc​.Qc=m⋅hvap(Tc)Q_c = m \cdot h_{\text{vap}} (T_c)Qc​=m⋅hvap​(Tc​)Donde:
   • hvaph_{\text{vap}}hvap​ es la entalpía de vaporización a la temperatura de condensación TcT_cTc​.
4. Compresión adiabática (en la bomba): El agua condensada se comprime adiabáticamente (sin intercambio de calor) para aumentar su presión y devolverla a la caldera.Wbomba=m⋅(hlıˊq.(T2)−hlıˊq.(T1))W_{\text{bomba}} = m \cdot \left( h_{\text{líq.}}(T_2) – h_{\text{líq.}}(T_1) \right)Wbomba​=m⋅(hlıˊq.​(T2​)−hlıˊq.​(T1​))

Diagrama TS (Temperatura-Entalpía) y el Ciclo Clausius-Rankine

El ciclo Clausius-Rankine se describe visualmente en un diagrama de Temperatura vs. Entalpía (TS). El proceso sigue el siguiente recorrido:

1. Proceso 1-2: El vapor es calentado y se expande isotérmicamente.
2. Proceso 2-3: El vapor se expande adiabáticamente en la turbina, perdiendo temperatura y presión.
3. Proceso 3-4: El vapor se condensa isotérmicamente en el condensador.
4. Proceso 4-1: El agua se comprime adiabáticamente antes de volver a entrar a la caldera.

Finalmente, el rendimiento de estas máquinas térmicas se puede evaluar mediante la eficiencia térmica, que en el ciclo de Carnot está dada por:η=1−TcTh\eta = 1 – \frac{T_c}{T_h}η=1−Th​Tc​​

Donde ThT_hTh​ y TcT_cTc​ son las temperaturas absolutas de la fuente caliente y fría, respectivamente.

Resumen

Las máquinas térmicas como las instalaciones de vapor, que incluyen turbinas y ciclos termodinámicos complejos, son esenciales en la generación de energía mecánica. Aunque los procesos ideales siguen el ciclo de Carnot, en la práctica se utilizan ciclos como el Clausius-Rankine para obtener un rendimiento más realista.