Principios de la Sobrealimentación

La sobrealimentación consiste en introducir aire fresco en el cilindro del motor a una presión superior a la atmosférica, mediante un compresor. Esto aumenta la presión y, consecuentemente, la masa de aire o mezcla introducida en el cilindro.

Este método se emplea sobre todo en motores Diésel y es el medio más eficaz para aumentar la potencia sin incrementar significativamente las dimensiones del motor. Mejora el rendimiento térmico si se aprovechan los gases de escape para accionar el compresor.

Medios para Accionar el Compresor

• Compresor Roots: Accionamiento mecánico desde la correa de la distribución. Mejora la potencia, pero no el rendimiento.
• Accionamiento eléctrico.
• Turbocompresor: Accionamiento mediante una turbina de gas, aprovechando la energía de salida de los gases de la combustión. Se denomina Ciclo Regenerativo con Turbina de Gas.
• Accionamiento por distintas combinaciones de los anteriores.

Un motor atmosférico de 400 kW sobrealimentado puede aumentar su potencia hasta 750 kW.

Turbina de Gas de Ciclo Abierto

Es una máquina térmica de combustión interna rotativa que aprovecha la energía del combustible para realizar trabajo mecánico. Consta de tres partes fundamentales: compresor, cámara de combustión y turbina.

Funcionamiento

1. El aire entra en el compresor, que lo impulsa a elevada presión hacia la cámara de combustión.
2. En la cámara de combustión se inyecta combustible, que se quema a presión constante, produciendo un fuerte aumento de la temperatura y el volumen del fluido.
3. Parte del trabajo de flujo producido se expande a través del rotor de la turbina (trabajo útil).
4. Otra parte del trabajo es absorbido por el compresor.
5. Los gases, después de la turbina, salen al exterior donde terminan de expandirse.

Componentes de la Turbina de Gas

Compresor

Consta de rotor y difusor. El rotor aumenta la energía cinética del aire, y el difusor transforma esa energía cinética en presión. Puede ser axial o radial.

Cámara de Combustión

Tiene forma tubular. En su inicio se encuentra el inyector que introduce el combustible pulverizado o en forma de vapor.

Turbina

Puede ser axial o radial; las más utilizadas son las axiales. Una turbina elemental consta de un estátor (distribuidor) y un rotor. Los gases entran en el estátor a una velocidad y salen hacia el rotor a una velocidad mucho mayor. La energía cinética de los gases se transforma en energía mecánica en el rotor.

Las turbinas axiales pueden ser de:

• Acción: Cuando la presión se transforma en energía cinética ($ ext{Ec}$) en el estátor.
• Reacción: Cuando la transformación ocurre parte en el estátor y parte en el rotor.

Principio de Funcionamiento de los Circuitos Frigoríficos

Los ciclos de refrigeración y, por lo tanto, el de la bomba de calor, funcionan según la máquina frigorífica de Carnot. El Ciclo Inverso de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que opera entre dos focos térmicos: el foco caliente a temperatura $T_c$ y el foco frío a temperatura $T_f$. El ciclo consta de 4 procesos reversibles: dos adiabáticos y dos isotérmicos.

Procesos del Ciclo Inverso de Carnot

• Proceso 1-2. Compresión: Compresión adiabática del gas desde $T_f$ a $T_c$, consumiéndose trabajo.
• Proceso 2-3. Condensación: Compresión isotérmica del gas a $T_c$, mientras se cede calor $Q_c$ al foco caliente.
• Proceso 3-4. Expansión: Expansión adiabática del gas desde $T_c$ a $T_f$.
• Proceso 4-1. Evaporación: Expansión isotérmica del gas a $T_f$, mientras se extrae calor $Q_f$ ($ ext{Qa}$) del foco frío.

Máquina Frigorífica de Carnot

El Ciclo de Carnot es ideal y no puede llevarse a la práctica, ya que los procesos reales no son reversibles. Por ejemplo, en la compresión, el fluido es una mezcla de líquido y vapor (técnicamente imposible de comprimir); en la realidad solo se comprime vapor. Esto da lugar a un ciclo modificado que se aproxima más a los sistemas reales.

Existen dos tipos de sistemas de refrigeración:

1. Sistemas de vapor: El fluido refrigerante se condensa y evapora alternativamente.
2. Sistemas de gas: El refrigerante permanece siempre en estado gaseoso.

Sistema de Refrigeración de Vapor

Es el más utilizado. Se emplean fluidos criogénicos derivados del freón (con alta presión de evaporación y elevado calor latente de vaporización) que son sometidos a sucesivas condensaciones y evaporaciones para conseguir el descenso de la temperatura. Como el fluido refrigerante absorbe calor al evaporarse, baja la temperatura del entorno.

• Proceso 1-2. Compresión adiabática: Se consume trabajo y la temperatura aumenta. Interviene el Compresor.
• Proceso 2-3. Cesión de calor: El vapor saturado se condensa, cediendo calor al foco caliente. Interviene el Condensador.
• Proceso 3-4. Expansión adiabática: El líquido se expande (parte se evapora). Se produce trabajo, y disminuyen la temperatura y la presión. Interviene la Válvula de expansión (o turbina).
• Proceso 4-1. Absorción de calor: Evaporación completa del fluido, absorbiendo calor del recinto. Interviene el Evaporador.

Sistema de Refrigeración de Gas

Se emplea el aire como fluido refrigerante.

• Proceso 1-2: Expansión del gas. Baja presión y se produce trabajo aprovechable.
• Proceso 2-3: El aire pasa por un intercambiador de calor, aumentando su temperatura y absorbiendo calor del recinto, enfriándolo.
• Proceso 3-4: Compresión del gas, aumentando presión y temperatura.
• Proceso 4-1: El gas pasa por un enfriador, cediendo calor al exterior y volviendo a sus condiciones iniciales.

Elementos de un Equipo Frigorífico

Compresor

Es el elemento que aspira el vapor frío a baja presión del evaporador y lo comprime a mayor presión y temperatura. En un equipo real, el compresor cede (pierde) algo de calor al ambiente.

Condensador

Es un intercambiador de calor donde el fluido refrigerante cede calor al medio exterior. El vapor saturado entra a elevada presión y temperatura. A la salida se obtiene líquido saturado a la misma presión que a la entrada.

Los condensadores pueden ser:

• De aire (con ventilación natural o forzada).
• De agua (a contracorriente, con tubos concéntricos, de inmersión, etc.).

Válvula de Expansión

Puede ser una válvula simple o una turbina más compleja. Su misión es reducir la presión y la temperatura del líquido a la salida del condensador. A su salida, el fluido se ha evaporado parcialmente.

Evaporador

Es un intercambiador de calor donde el fluido refrigerante absorbe calor del medio a presión y temperatura constantes. Entra una mezcla de líquido y vapor. En su interior, el líquido se evapora y a la salida se obtiene vapor de fluido refrigerante saturado.