Cámaras de combustión: definición, tipos y diseño

Publicado el 3 octubre, 2021 por Rodrigo Ricardo

Ciencia fisica

¿Qué es una cámara de combustión?

¿Alguna vez te has preguntado cómo funciona un tren? ¿Qué pasa con su automóvil o el avión que tomó de vacaciones el año pasado? De acuerdo, probablemente haya un motor involucrado, pero ¿cómo funcionan exactamente? Bueno, tienes que quemar combustible para crear la energía necesaria para trabajar. Para quemar combustible, necesita un espacio para hacerlo. Ahí es donde entran las cámaras de combustión.

Una cámara de combustión es un espacio cerrado dentro de un motor de combustión en el que se quema una mezcla de aire y combustible. La quema de combustible libera un gas que aumenta en temperatura y volumen. Cuando calienta un gas, los átomos del gas comienzan a rebotar entre sí con más energía y vigor. El fuerte rebote hace que se expulsen más lejos y toda la nube gaseosa se expande.

Algunos motores no permiten que el gas se expanda cuando se calienta al confinar el gas dentro de un volumen establecido. Dado que el gas no puede expandirse, la presión aumenta. Otros motores están diseñados para utilizar el aumento de presión para expulsar los gases de escape a alta velocidad. Los motores están diseñados de manera diferente para aumentar el volumen, la presión o la velocidad de la mezcla gaseosa para generar trabajo.

Motores de combustión interna

Existen diferentes tipos de cámaras de combustión para motores de combustión interna:

Los motores de pistón impulsan vehículos motorizados como automóviles y barcos. Por lo general, consisten en un cilindro con un pistón en su interior. El pistón se desliza firmemente dentro del cilindro impulsado por la fuerza creada por la explosión del combustible de combustión. Estos motores tienen dos tipos de cámaras de combustión. La cámara de combustión puede estar ubicada en la culata del cilindro, la tapa en el extremo del cilindro o en la parte superior del pistón, llamada cámara de combustión de “cabeza de garza”.

Las cámaras de combustión en los motores a reacción y las turbinas de gas se denominan cámaras de combustión y están configuradas de manera diferente a los motores de pistón. En las cámaras de combustión, el aire se aspira y se comprime a través del compresor. Parte de este aire comprimido se canaliza hacia la cámara de combustión para impulsar la combustión del combustible.

Luego, la cámara de combustión devuelve el gas a alta temperatura al motor. Este gas se expulsa por el escape a gran velocidad, produciendo empuje o se hace funcionar a través de una turbina. Los componentes principales de una cámara de combustión son la carcasa, el revestimiento, el encendedor, el inyector de combustible y el escape.

Motores de combustión externa

Los motores de combustión externa se componen principalmente de motores de vapor que se utilizan para generar electricidad en plantas de energía nuclear y de carbón, así como para hacer funcionar locomotoras de vapor. Las cámaras de combustión de las máquinas de vapor se encuentran típicamente entre la cámara de combustión, donde se quema el carbón, y la caldera. El calor de combustión se utiliza para convertir el agua en vapor en una caldera, y el vapor a alta presión hace todo el trabajo en el motor. Las cámaras de combustión a veces se colocan justo después de la cámara de combustión para crear más espacio entre el calor de combustión y el vapor. Esto permite una combustión más completa y aumenta el área de transferencia de calor.

Algunas consideraciones de diseño

Sue Ann es ingeniera y está diseñando una cámara de combustión. Ella se preocupará principalmente por:

La forma de la cámara
La ubicación de la bujía
La ubicación y forma de las válvulas de entrada y salida.

Quiere diseñar todos estos elementos para que la cámara proporcione la máxima potencia al motor, garantice un funcionamiento suave y reduzca la contaminación en los gases de escape. Hay varios elementos que se filtran en un diseño optimizado.

Por ejemplo, al hacer que las cámaras sean compactas, puede minimizar la pérdida de calor y aumentar la eficiencia del motor. Esto permite que la mezcla de aire y combustible más alejada de su punto de encendido (bujía) se queme lo más rápido posible, lo que ayuda a evitar la formación de contaminantes nocivos del aire, como los óxidos de nitrógeno. Para hacer que la mezcla de aire y combustible que entra y sale de la cámara fluya a la tasa optimizada, Sue Ann considera la forma y ubicación de las válvulas de entrada y salida.

Resumen de la lección

Las cámaras de combustión son espacios confinados en motores de combustión interna y externa para quemar la mezcla de aire y combustible.

Hay dos tipos de cámaras de combustión interna:

Los motores de combustión interna de pistón consisten en un cilindro con un pistón en el interior y se utilizan en automóviles y barcos. La cámara de combustión puede estar ubicada en la culata del cilindro, la tapa en el extremo del cilindro o en la parte superior del pistón, llamada cámara de combustión de “cabeza de garza”.
Los quemadores son cámaras de combustión que se utilizan en turbinas de gas y motores a reacción. Están situados de manera que el compresor bombea aire hacia ellos y, a su vez, canalizan el gas a alta temperatura de regreso al motor.

Para las cámaras de combustión externa que se utilizan en las plantas de energía nuclear y de carbón, se utilizan principalmente máquinas de vapor . Aquí la cámara de combustión está situada entre la cámara de combustión, donde se quema el carbón, y la caldera. El calor de la combustión se usa para convertir el agua en vapor, y la presión que genera hace todo el trabajo en el motor.

Las cámaras de combustión están diseñadas para:

Optimizar la potencia de salida
Asegurar un funcionamiento suave del motor
Reducir los gases de escape

Por lo tanto, el diseño considera la forma de la cámara, la ubicación de la bujía y la ubicación de las válvulas de entrada y salida.