2/25/16

Motores de combustión

Máquina de vapor


¿Qué es? 

Es una máquina térmica motora, de la categoría volumétrica alternativa. Su función es convertir la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. Forma parte de diversos máquinas, como bombas, locomotoras, motores marinos, en fábricas, etc. El mecanismo primario en aquesta máquina es la biela-manivela, un concepto que estudiamos en el tema pasado.

La biela-manivela

¿Quién lo inventó?

Thomas Newcomen, nacido en Dartmouth, Inglaterra, era uno de los primeros innovadores e inventores en la revolución industrial. Este señor, con la ayuda de físico Robert Hooke, mecánico John Calley y su socio, Thomas Savery, inventó la primera máquina de vapor en 1712.
Máquina de vapor de Thomas Newcomen
Este diseño vendió más que 100 máquinas antes de que la patente expirara en 1733. En 1774, en Kinneil, Inglaterra, James Watt mejoró la creación de Newcomen, financiado por su compañero, Matthew Boulton.

Maquina de vapor de James Watt

¿Cómo funciona?

Se alimenta con varios combustibles, como carbón, madera, o petróleo. Cuando se quema el combustible, el calor resultante hierva el agua, convirtiéndolo en vapor. Este vapor se genera a alta concentración, y se dirige a la cámara de vapor. En la cámara, el vapor aprieta un pistón, que mueve la biela-manivela, creando un movimiento de rotación. Este movimiento es capaz de girar ruedas, por ejemplo en el uso de locomotoras. Cuando se acaba la precisión, el vapor se expulsa, y repita el ciclo.
Una máquina de vapor básica

     

2/24/16

Motores de combustión

Clasificación de máquinas térmicas 

Las máquinas térmicas pueden ser clasificado en tres diferentes maneras, según la transferencia de energía, según el funcionamiento, según donde pasa la combustión. 

Los dos tipos de máquinas térmicas son:

Motoras - En este tipo, la energía del fluido disminuye cuando atraviesa la máquina. Esto obtiene energía mecánica. La conversión que pasa es energía térmica a energía mecánica.

Motor Stirling
Máquinas térmicas motoras pueden ser clasificados por su funcionamiento, en dos categorías. Estos son volumétricas y turbomáquinas. 

Volumétricas se definan por hacer la compresión y expansión del fluido en un espacio concreto. Este también tiene dos categorías: rotativa, cuyo movimiento es circular, y alternativa, cuyo movimiento es lineal. 
El Motor Wankel, una máquina térmica motora volumétrica rotativa
Una máquina de vapor, que es una motora volumétrica alternativa

 Turbomáquinas son las máquinas donde el fluido se comprime y expande sin estar atrapado. 
Una turbina
Generadoras - Esta máquina es opuesta a la otra, la energía de del fluido aumenta cuando atraviesa la máquina. La conversión que pasa es energía mecánica a energía térmica. Puede ser clasificado en volumétricas y turbomáquinas igual que máquinas térmicas motoras. Las generadoras volumétricas también se clasifican en rotativas y alternativas. 

Compresor rotativo, una máquina generadora volumétrica rotativa


Compresor de émbolo, una máquina generadora volumétrica alternativa

Turbocompresor, una turbomáquina 

Por último, las máquinas térmicas motoras pueden ser clasificados en dos más categorías:

Motor de combustión externa - Realiza la conversión de energía térmica en energía máquina mediante un proceso que pasa afuera de la máquina, como en el caso de la máquina de vapor, que tiene un fuego separado al motor que produce el vapor que hace funcionar la máquina. 

Una máquina con motor de combustión externa
Motor de combustión interna - Obtiene energía mecánica directamente de la energía química del combustible en la cámara de combustión. Su combustión pasa adentro de la propia máquina, en cambio al primer tipo. Otra diferencia entre ellos es que este tiene varios motores, mientras ese solo describe a la máquina de vapor.

Motor de Otto (o motor de explosión): Es un motor diseñado por el Nikolaus Otto, que tiene un bajo RPM, y solo dispara cada otro tiempo, gracias al ciclo Otto, también hecho por este señor. El ciclo Otto solo se aplica a motores de combustión interna, y se caracteriza por tener todo el calor aportado a volumen constante. 
                
                     Motor de Otto de 2 tiempos
   
 Motor de Otto de 4 tiempos
Motor diésel: Es un motor diseñado por Rudolf Diesel, en 1893. Funciona con el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro. Usa el ciclo de diesel, que tiene una versión de dos tiempos y una de cuatro tiempos, igual que el ciclo Otto.

                                                   
                  Motor diésel de 2 tiempos                                                              Motor diésel de 4 tiempos













  Motor Wankel: Fue diseñado por Felix Wankel en 1924, y es especial porque usa rotores en vez de pistones. Tiene un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada.
                        
Motor Wankel
                                                     

2/23/16

Motores de combustión

Reacción de combustión  


La reacción de combustión es una reacción química exotérmica de una substancia o una mezcla de sustancias combustibles con el oxígeno. Esta reacción produce la formación de una llama y la emisión de calor. Las sustancias pueden ser:
      
      - gasolina
      - butano
      - madera
      - carbón
      - turba
      - kerosene
      - nafta
      - petróleo

La ecuación química para combustión es: 

Combustible + O2 → H2O + CO2 + energía


Hay dos tipos de combustiones: 


1. Completa


Este tipo de combustión libera dos cosas: dióxido de carbono y h2o, en forma de vapor. También puede liberar una cantidad muy pequeña de dióxido de azufre o óxidos de nitrógeno, dependiente en la composición del combustible y la temperatura de la reacción. 

Lo que la defina: 

- suficiente oxígeno
- llamas azules (no luminosas)
- más calor 

Una reacción de combustión completa  

2. Incompleta

A cambio del primer tipo de combustión, este tipo se caracteriza por no tener suficiente oxígeno para quemar todo el combustible. Por eso, se produce monóxido de carbono, un gas tóxico. Además, puede generar carbon. 

Lo que la defina:

- insuficiente oxígeno
- llamas amarillas (luminosas)  
- menos calor

Una reacción de combustión incompleta, produciendo gases tóxicos

2/22/16

La Palanca

La barra era de 100 centímetros, y el fulcro estaba en el medio, a los 50 centímetros.  La maquinilla pesaba 7.9 gramos, y era 42 centímetros del medio. El tipp-ex pesaba 12.8 gramos,  y era 27.3 centímetros del medio. Cuando divides 7.9 y 12.8 por 1000 y los pones en kilogramos, son 0.0079 y 0.0128. Después están convertidos en newtons, y multiplicados por 10, para llegar a 0.079 N y 0.128N. Ahora se multiplican los newtons por la distancia, y el resultado de los dos es aproximadamente 0.034. Esto nos muestra que la primera fuerza por la primera distancia es igual a la segunda fuerza por la segunda distancia, y esto es la ley de la palanca.