CONCEPTO DE MAQUINA TÉRMICA 

En este articulo se va a presentar una panorámica general de los distintos tipos de máquinas y motores térmicos destacando algunas diferencias básicas en su principio de funcionamiento y revisando los principales campos de aplicación en cada caso. A pesar de que este capítulo se lee con cierta facilidad lo cierto es que algunas de las ideas que se presentan no se asimilan correctamente si no se repasan ciertos conceptos estudiados en Termodinámica, algunos de los cuales se han sintetizado en el capítulo 2. Por otra parte, las razones por las cuales, por ejemplo, unos tipos de motores son más adecuados para determinados campos de aplicación, no se entenderán en profundidad hasta que no se haya abordado el estudio del fundamento y diseño de las máquinas y motores térmicos que se realiza en posteriores capítulos. No obstante, ha parecido conveniente empezar el estudio con este capítulo de generalidades, si bien se considera imprescindible volver sobre el mismo una vez estudiado el resto de la materia, ya que al releerlo, se analizará, sin duda, con otra perspectiva.

Clasificación de las máquinas de fluido

Antes de exponer el concepto de máquina térmica es conveniente aclarar que estas máquinas están englobadas dentro de un conjunto de máquinas más amplio, bajo la denominación de máquinas de fluido. Se va a empezar por indicar qué se entiende por máquina de fluido para poner de manifiesto qué particularidades tienen las máquinas térmicas que las distinguen de otro tipo de máquinas de fluido. 

Se denomina máquina de fluido a toda máquina por la que circula un fluido (fluido de trabajo) de forma que el conjunto de elementos que la constituyen permiten que se realice un intercambio de energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina.

Las máquinas de fluido se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios: 

• Dependiendo de si el fluido disminuye o aumenta su energía a su paso por la máquina: 
• Motoras E1>E2 El fluido disminuye su energía a su paso por la máquina, y en consecuencia se obtiene energía mecánica aprovechable en forma de par motor en el eje de la máquina. Ejemplos: turbina térmica, turbina hidráulica, máquina de vapor.
• Generadoras E1 ρ2 : turbina térmica, máquina de vapor. – Generadoras ρ1 < ρ2 : turbocompresor, compresor volumétrico de lóbulos, etc.

• Dependiendo si el fluido de trabajo es incompresible o compresible: 
• Máquinas hidráulicas ρ1 ≅ ρ2 El fluido que evoluciona por la máquina es incompresible o se comporta como tal, lo que tiene importantes implicaciones, como se pone de manifiesto en el epígrafe siguiente. Ejemplos: bomba, turbina hidráulica, ventilador. 
• Máquinas térmicas ρ1 ≠ ρ2 El fluido que evoluciona por la máquina es compresible y varía su densidad de forma significativa al atravesar la máquina. Ejemplos: – Motoras ρ1 > ρ2 : turbina térmica, máquina de vapor. 
• Generadoras ρ1 < ρ2 : turbocompresor, compresor volumétrico de lóbulos, etc.

• Dependiendo de si el fluido circula de manera continua o en cada instante evoluciona una cantidad bien definida de fluido: 
• Dinámicas o turbomáquinas Ejemplos: turbina, bomba centrífuga, turbocompresor. 
• Volumétricas o de desplazamiento positivo Ejemplos: bomba alternativa, compresor alternativo, compresor rotativo de paletas, compresor rotativo de tornillo, etc.

Distinción entre máquina hidráulica y máquina térmica 

Como puede verse, tanto las máquinas hidráulicas como las máquinas térmicas pueden ser motoras o generadoras, volumétricas o turbomáquinas; lo que diferencia a ambos tipos de máquinas es concretamente qué tipo de fluido, compresible o incompresible, evoluciona por su interior. En ese sentido hay que destacar que la compresibilidad del fluido juega un papel fundamental en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido compresible y el exterior, tal como se expone en el capítulo 2, basándose en la ecuación del Primer Principio de la Termodinámica. En los fluidos compresibles es posible transformar energía térmica en energía mecánica expandiendo el fluido, así como aumentar la energía térmica de un fluido, y por tanto su nivel de presión, comprimiendo el fluido. Como consecuencia de ello, al distinguir entre máquinas térmicas y máquinas hidráulicas se está diferenciando qué tipos de energías estarán presentes en el término que se ha denominado genéricamente «E», en la clasificación de las máquinas de fluido. 

Las máquinas térmicas utilizan fluidos compresibles y en ellas es posible transformar parte de la energía térmica de estos fluidos en energía mecánica y viceversa; por tanto, «E» incluirá energía térmica y energía cinética, ya que la variación de la energía potencial entre la entrada y la salida de la máquina puede despreciarse. En los fluidos incompresibles esta transformación no es posible, de forma que sólo se podrá aprovechar su energía mecánica, en concreto su energía cinética. Por tanto, si a la entrada de una máquina hidráulica el fluido tiene una energía térmica asociada, que se puede incrementar por la fricción a su paso por la máquina, ésta no intervendrá en el intercambio energético y no será aprovechada.

Clasificación de las máquinas térmicas 

• Turbomáquinas o máquinas dinámicas (sistemas abiertos): 
• Máquinas motoras (turbinas): Debido a la compresibilidad del fluido, dicho fluido transforma su energía térmica en energía cinética mediante un proceso de expansión. Dicha energía cinética será aprovechada para generar un par motor en el eje de la máquina. Posteriormente, en el capítulo 13, se analizará cómo son las turbinas térmicas internamente, es decir, cuál es su diseño constructivo para que se pueda realizar esa transformación de energía térmica en energía mecánica y que a su vez, posteriormente, la energía mecánica se manifieste en forma de par motor en el eje de la máquina. Se puede, no obstante, anticipar que en este tipo de máquina, el fluido atraviesa en la mayoría de los casos conductos convergentes. 
• Máquinas generadoras (turbocompresores): De forma análoga, un par de accionamiento conseguirá incrementar la velocidad del fluido y, debido a la compresibilidad de éste y al diseño especifico de la máquina, esta energía cinética se transformará mediante un proceso de difusión (deceleración) en energía de presión, incrementándose, por tanto, su nivel térmico. 

También tendrá el alumno ocasión de estudiar cuál es el diseño interno de estas máquinas (capítulo14), pero se puede anticipar que en el caso de los turbocompresores, el fluido atraviesa a su paso por la máquina conductos en su mayoría divergentes.

• Máquinas térmicas volumétricas (Sistemas cerrados): 
• Máquinas motoras (máquina de vapor): Un fluido con elevada energía térmica, en concreto, vapor de agua, se introduce en la máquina y su elevada presión provoca el desplazamiento de un émbolo, generando un par motor debido al mecanismo biela-manivela. Al modificarse el volumen ocupado por el fluido en el proceso de expansión el fluido está disminuyendo su energía térmica, debido a su compresibilidad. 
• Máquinas generadoras (compresores volumétricos): El incremento de energía térmica (aumento de temperatura) y/o de exergía (aumento de presión)2 se produce por disminución del volumen3 , compresión que se realiza absorbiendo trabajo del exterior.