Caldera pirotubular de locomotora a vapor

Fuente: Ferropedia, la enciclopedia colaborativa del ferrocarril. Ahora en '''www.ferropedia.es'''

Tipos de calderas

Clasificación de acuerdo a la circulación:

·        Acuotubulares

·        Humotubulares

Clasificación de acuerdo a la presión de trabajo

·        Baja presión (hasta 5 kg/cm²)

·        Media presión (hasta 20 kg/cm²  - generalmente vapor saturado seco)

·        Alta presión (entre 20 kg/cm² y presión crítica)

·        Presión supercrítica (225,56 kg/cm² a 374,15ºC)

Clasificación según producción de vapor

·        Calderas chicas (hasta 2 ton./hora)                              Calderas humotubulares

·        Calderas mediana (hasta 20 ton./hora)                         Calderas humotubulares

·        Calderas grandes (más de 20 y hasta 600 ton/hora)     Calderas acuotubulares

Clasificación según combustible empleado

·        Combustibles líquidos

·        Combustibles gaseosos

·        Combustibles sólidos

Clasificación según la circulación del agua

·        Circulación natural

·        Circulación asistida

·        Circulación forzada

Clasificación según el tipo de calentamiento

·        Radiación total o radiantes (poseen hogar)

·        Convectivos (sin cámara de combustión turbinas de gas, fundiciones, hornos de vidrio)

·        Calentamiento indirecto (con intercambiador de aceite)

Diagramas de vaporización

Gráfico t-q   (temperatura en función del calor específico) 

Diagrama de Clapeyron  (presión-volumen)

Diagrama PT  (presión-temperatura)

Turbinas

      Fuente: Wikipedia                                                                            Imagen: «Jet engine spanish» by Jeff Dahl, Spanish translation by Xavigivax   (CC)

El ciclo Joule o Brayton es el ciclo compuesto por transformaciones termodinámicas mediante el cual funcionan las turbinas de gas y, por extensión, los turborreactores aeronáuticos.
Su funcionamiento es el siguiente:
En la sección fría:
Ingresa el aire y se lo comprime por medio de un turbocompresor de varias etapas.
En la sección caliente:
Una vez comprimido, el aire pasa a la cámara de combustión, donde además se inyecta el combustible, produciéndose la combustión a presión constante.
Los gases de la combustión se expanden en la tobera de la turbina, aumentando apreciablemente su energía cinética, entregando el trabajo al pasar por los álabes de la turbina.

El ciclo ideal de Joule o Brayton está compuesto por dos transformaciones adiabáticas y dos isobaras.
Transformación 1-2:  compresión adiabática en el compresor
Transformación 2-3:  combustión del sistema aire-combustible
Transformación 3-4:  expansión adiabática de los gases producidos por la combustión en la turbina
Transformación 4-1:  enfriamiento a presión constante hasta alcanzar el estado inicial

Ciclo de Carnot

Funcionamiento del ciclo:

Carnot concibió un ciclo ideal y reversible que consta de cuatro transformaciones, dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. En éste ciclo se toma, mediante la expansión isotérmica AB, determinada cantidad de calor Q1 de una fuente llamada "fuente caliente" que se encuentra a temperatura T1, y que debe tener una masa considerable para que al ceder esa cantidad de calor, su variación de temperatura sea despreciable. 

A continuación se realiza un trabajo de expansión adiabática BC, en la cual se produce una caída térmica de T1 a  T2. 

Le sigue una compresión isotérmica CD, en la cual el fluido cede una cantidad de calor Q2 a una fuente denominada "fuente fría" que se encuentra a la temperatura T2, y que debe tener una masa tal que al recibir la cantidad de calor Q2 no varíe su temperatura. 

El ciclo se cierra con una compresión adiabática DA, en la cual el fluido del sistema aumenta su temperatura de T2 a T1.  

Teorema de carnot:
Para un ciclo ideal y reversible como el descripto, el rendimiento térmico depende exclusivamente de las temperaturas de las fuentes (fuente fría y fuente caliente), y no puede ser superado por máquina alguna que funcione entre las mismas temperaturas, independientemente de la substancia que recorra el ciclo.

Segundo principio de la termodinámica - Entropía

El segundo principio de la termodinámica expresa la imposibilidad de convertir la totalidad de la energía en trabajo porque no es posible lograr una eficiencia del 100%  ya es inevitable que en todo artefacto construido por el hombre haya algún tipo de pérdida de energía. Ésta pérdida de energía durante el proceso de transformación se conoce como Entropía, y para el caso de un sistema aislado que no intercambia materia ni energía con el entorno, siempre es un valor positivo.

En todo proceso de transformación de energía se produce un incremento de entropía del universo.

Este principio confirma el hecho de que sólo existe la posibilidad de que se genere, espontáneamente, un flujo de calor de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico.

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Ciclo Diesel (4 tiempos)

Ciclo Diesel de 4 tiempos:

El ciclo Diesel (ideal) de un motor de cuatro tiempos, funciona en base a las transformaciones termodinámicas que se producen secuencialmente en cada uno de los cilindros. 

Mecánicamente, se puede decir que el ciclo funciona transformando el movimiento lineal del pistón, que se desplaza desde el punto muerto inferior  (PMI) al punto muerto superior (PMS) y viceversa, en un movimiento rotatorio del árbol cigüeñal (mecanismo biela-manivela). 

Movimiento B-1 Posición de válvulas VAA/VEC (admisión)

Es un movimiento de aspiración en el cual se succiona aire (filtrado) desde el medio ambiente exterior que se encuentra a presión atmosférica,  llenando el cilindro..

Transformación 1-2 Posición de válvulas VAC/VEC (compresión)

Con ambas válvulas cerradas, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS, movimiento conocido como "carrera del pistón". Debido a que el ciclo se considera ideal, se supone que no hay intercambio de calor a través de las paredes (o límites) del sistema, por lo cual, la compresión 1-2 es una compresión adiabática.

La relación de compresión  (ɛ) del aire, en el caso de los motores Diesel es muy superior a la relación de compresión de los motores que funcionan según el ciclo Otto. Esto es debido a que en la fase de compresión adiabática 1-2, el fluído comprimido es aire (no mezcla carburante como en el caso de los motores a gasolina). El aire comprimido en la transformación 1-2, en razón de su grado de compresión, debe alcanzar un temperatura tal que cuando el combustible diesel sea inyectado a la cámara de combustión se incendie espontáneamente. 

La relación de compresión es el cociente entre el volumen del cilindro en el PMI incluyendo el volumen de la cámara de combustión y el volumen de la cámara de combustión, cuando el cilindro alcanza el PMS:    

ɛ = V1 / V2     normalmente varía entre 18 a 22

El volumen mínimo alcanzado con el pistón en el PMS, en el cual el aire alcanza su mayor grado de compresión y por esa misma razón, su mayor temperatura, es el lugar donde tiene lugar el comienzo de la inyección del combustible diesel, razón por la cual se lo denomina "cámara de combustión". 

Transformación 2-3 Posición de válvulas VAC/VEC (inyección)

Con ambas válvulas cerradas y el pistón en el PMS, comienza la inyección de combustible diesel. Debido a la temperatura alcanzada por el aire (comburente) por efecto de la compresión adiabática producida por la transformación 1-2, la inyección de combustible puro se realiza por medio de una bomba de inyección y a través de toberas de inyección. Esto es, porque para inyectar el combustible, éste debe estar a mayor presión que el comburente ya comprimido que ocupa la cámara de combustión. El inyector cumple además la función de pulverizar y dispersar el combustible dentro de la cámara de combustión, con ello se logra una mezcla de combustible y comburente homogénea que permite una combustión uniforme.  

Es así que, al momento de ingresar a la cámara de combustión y durante todo el período de inyección, el combustible se va quemando de forma tal que mantiene constante la presión en la cámara, mientras el pistón, empujado por la presión en aumento de los gases de combustión, comienza su carrera descendente, desde el PMS al PMI. El frente de llama producido y la consecuente expansión de los gases, avanza muy rápidamente hasta ocupar el volumen total de la cámara de combustión. El proceso, al igual que en el caso del ciclo Otto, es de combustión, o sea la mezcla compuesta por el aire de admisión y el combustible inyectado se "quema", (no "detona" o "explota"), y lo sigue haciendo aún cuando el pistón haya comenzado a descender del PMS al PMI. O sea se trata de una transformación isobárica, en la cual el volumen de la cámara de combustión aumenta a medida que el combustible ingresa por el inyector y se quema, siendo que desde el punto 2 al punto 3 la presión no experimenta incremento alguno.

Transformación 3-4 Posición de válvulas VAC/VEC (expansión)

Con ambas válvulas cerradas, el pistón sigue su carrera descendente bajo la presión generada en la cámara de combustión y se produce la expansión completa de los gases de combustión, recorriendo la carrera inversa a la compresión (expansión adiabática), llegando al PMI y transmitiendo la fuerza generada por los gases al árbol cigüeñal a través de la biela que los une. 

Transformación 4-1 Posición de válvulas VAC/VEA (escape) 

Al alcanzar el PMI, se abre la válvula de escape, donde, de acuerdo al diseño de cada motor en particular, se habrá transformado la totalidad de la energía del combustible (en este caso de energía química en energía mecánica), quedando un remanente de presión, producto de la combustión, que ayudará a expulsar los gases quemados hasta alcanzar la presión atmosférica.

Movimiento 1-B Posición de válvulas VAC/VEA (barrido de gases)

A partir del punto 1 el pistón vuelve a realizar la carrera 1-B pero con la VAC y la VEA. 

De esta manera se logran expulsar los gases de combustión quemados al medio ambiente exterior.

A continuación se produce el cambio en las posiciones de las válvulas a VAA y la VEC, y comienza un nuevo movimiento de admisión, en el cual se aspira la mezcla de combustible y comburente de la boca del carburador.

Gigüeñal y biela (borrador)

Ciclo Otto (2T)



Ciclo Otto (4 tiempos)

Ciclo Otto de 4 tiempos 

Concepción clásica, con sistema de carburación (sin sistema de inyección de combustible):

El ciclo Otto (ideal) de un motor de cuatro tiempos, funciona en base a las transformaciones termodinámicas que se producen secuencialmente en cada uno de los cilindros. 

Mecánicamente, se puede decir que el ciclo funciona transformando el movimiento lineal del pistón, que se desplaza desde el punto muerto inferior  (PMI) al punto muerto superior (PMS) y viceversa, en un movimiento rotatorio del árbol cigüeñal (mecanismo biela-manivela). 

Movimiento B-1 Posición de válvulas VAA/VEC (admisión)

Es un movimiento de aspiración en el cual se succiona la mezcla carburante (combustible y comburente*) que se encuentra a presión atmosférica, desde la boca del carburador,  llenando el cilindro.

(*) En este caso el comburente es aire atmosférico, substancia que en el proceso de combustión contiene el oxígeno necesario para producir la oxidación completa del combustible (nafta/gasolina).

Transformación 1-2 Posición de válvulas VAC/VEC (compresión)

Con ambas válvulas cerradas, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS, movimiento conocido como "carrera del pistón". Debido a que el ciclo se considera ideal, se supone que no hay intercambio de calor a través de las paredes (o límites) del sistema, por lo cual, la compresión 1-2 es una compresión adiabática. 

La relación de compresión es el cociente entre el volumen del cilindro en el PMI incluyendo el volumen de la cámara de combustión y el volumen de la cámara de combustión, cuando el cilindro alcanza el PMS:    

La relación de compresión  (ɛ) de la mezcla, entre el PMI y el PMS vale:    

ɛ = V1 / V2    y normalmente varía entre 6,6 en motores "poco comprimidos" y 8,5 (hasta 12) en motores “muy comprimidos”.

El volumen mínimo que se obtiene con el pistón en el PMS, hace que la mezcla alcance su mayor grado de compresión y es el lugar donde tiene lugar la combustión de la misma, razón por la cual se lo denomina "cámara de combustión". 

Transformación 2-3 Posición de válvulas VAC/VEC (combustión)

Con ambas válvulas cerradas y el pistón en el PMS, se produce una chispa entre los electrodos de la bujía de ignición, lo que hace que se incendie y se queme la mezcla de combustible y comburente altamente comprimida. Si bien el frente de llama producido avanza muy rápidamente hasta ocupar el volumen total de la cámara de combustión, el proceso es de combustión, o sea la mezcla se "quema", (no "detona" o "explota"). Esta reacción produce un violento aumento de la temperatura en la cámara de combustión y con ello un violento aumento de la presión del sistema, mientras el pistón aún permanece en el PMS; o sea, se trata de una transformación isocora, en la cual el volumen de la cámara de combustión permanece constante, siendo que desde el punto 2 al punto 3 la presión experimenta un importante incremento.

Transformación 3-4 Posición de válvulas VAC/VEC (expansión)

Con ambas válvulas cerradas, el pistón cede a la presión generada en la cámara de combustión y se produce la expansión de los gases de combustión. El pistón recorre la carrera inversa a la compresión (expansión adiabática), llegando al PMI y transmitiendo la fuerza generada por los gases al árbol cigüeñal a través de la biela que los une. 

Transformación 4-1 Posición de válvulas VAC/VEA (escape) 

Al alcanzar el PMI, se abre la válvula de escape, donde, de acuerdo al diseño de cada motor en particular, se habrá transformado la casi totalidad de la energía del combustible, en este caso de energía química en energía mecánica, quedando un remanente de presión, producto de la combustión, que ayudará a expulsar los gases quemados hasta alcanzar la presión atmosférica.

Movimiento 1-B Posición de válvulas VAC/VEA (barrido de gases)

A partir del punto 1 el pistón vuelve a realizar la carrera 1-B pero con la VAC y la VEA. 

De esta manera se logran expulsar los gases de combustión quemados al medio ambiente exterior.

A continuación se produce el cambio en las posiciones de las válvulas a VAA y la VEC, y comienza un nuevo movimiento de admisión, en el cual se aspira la mezcla de combustible y comburente de la boca del carburador.

Motor de combustión interna - Esquema

Los motores de combustión interna son dispositivos mecánicos en los cuales el encendido y la combustión de la mezcla de combustible y comburente se produce dentro del motor mismo.

El principio de funcionamiento, en general, es el de transformar el movimiento rectilíneo alternativo de uno o varios pistones en un movimiento giratorio del árbol cigüeñal.

Al girar el gigüeñal, cada pistón recorre una distancia denominada carrera, entre el punto muerto inferior PMI y el punto muerto superior PMS y viceversa, distancia que queda determinada por el diseño (configuración de cigüeñal, bielas, pistones y cilindros).

Cuando el pistón alcanza el PMS con ambas válvulas cerradas (válvula de admisión VA  y válvula de escape VE), se obtiene la máxima compresión de los gases encerrados en el cilindro, quedando un volumen remanente en la parte superior denominado cámara de combustión, la cual aloja la mezcla combustible.

La cilindrada es la capacidad total de compresión de gases y puede calcularse multiplicando el diámetro del cilindro por la carrera y por el número de cilindros. La cilindrada es un factor que indica (en volúmen) la cantidad de mezcla combustible que puede transformarse en energía mecánica a partir de la energía química. En general puede afirmarse que la cilindrada es una medida de la potencia que puede generar el motor.

La energía que produce el movimiento rotativo del cigüeñal surge en los cilindros, a partir de la expansión de los gases presentes en la cámara de combustión y debido a la ignición de la mezcla. Estos gases en expansión impulsan a los respectivos pistones en dirección al PMI, haciendo girar al árbol cigüeñal por medio de las bielas que los unen.

Calor específico y capacidad calorífica

Se define como calor específico (c) a la cantidad de calor que debe que suministrarse a la unidad de masa de una sustancia (o sistema termodinámico) para que su temperatura aumente 1ºC  ó  1ºK.

La unidad del calor específico es: [kcal / kg ºC] ó  [kcal / kg. ºK]

Debido a que el calor específico no es una función lineal, suele tomárselo como un valor medio (c_m)  entre dos temperaturas, obteniéndose así la fórmula:

Q = / m . c_m  (T₂ – T₁)    y     c_m  (T₂ – T₁) = Q / m       

Donde: 

c_m es la capacidad calorífica (en función de las variables de estado).

Q    es la cantidad de calor intercambiada por el sistema.

T₂ – T₁ es la diferencia de temperaturas considerada para dicho calor específico medio.

La capacidad calorífica (C) se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia (o sistema termodinámico), para que su temperatura aumente 1ºC  ó  1ºK.

Para determinar la capacidad calorífica bajo determinadas condiciones, es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o sistema termodinámico) con el incremento de temperatura producido, y su valor es:

                                                   C = lim    Q

                                                                     DT→ 0      DT

Por lo tanto si el calor específico resulta del cociente entre la capacidad calorífica y la masa, se tiene que: 

     c_m = C / m

Unidades:

Unidades empleadas para el caso de gases monoatómicos	Calor específico a presión constante (tomando en cuenta la masa en gramos) cp J·g−1·K−1	Calor específico a presión constante (tomando en cuenta la masa en moles) cp J·mol−1·K−1	Calor específico a volumen constante (tomando en cuenta el volumen molar) cv J·mol−1·K−1	Capacidad calorífica volumétrica J cm−3 K−1