Les màquines tèrmiques

Les màquines tèrmiques són aquelles que transformen l’energia tèrmica en energia mecànica o a l’inrevés.

• vehicles automòbils
• centrals productores d’energia elèctrica
• turbina de vapor
• màquines frigorífiques, refrigeradors (transformen l’energia ellèctrica en energia tèrmica)
• …

El rendiment d’una màquina tèrmica mai és del 100% sempre hi ha pèrdues.

Motor tèrmic és una màquina que transforma l’energia tèrmica procedent de la combustió d’algun material  en energia mecànica.

Podem classificar els motors tèrmics…

Segons on té lloc la combustió.

• Motors de combustió externa: Una font d’energia crema fora del motor i proporciona energia tèrmica. El motor en transforma una part en energia mecànica.

• Motors de combustió interna: El combustible crema a l’interior del motor i proporciona energia tèrmica. El motor en transforma una part en energia mecànica.

Segons el tipus de moviment que produeixen:

• Motors alternatius:Produeixen directament moviment lineal alternatiu. Disposen d’un mecanisme de biela-manovella, que transforma el moviment rectilini alternatiu de l’èmbol o pistó en moviment circular.

• Motors rotatius: Produeixen directament moviment circular.

Motors de combustió externa alternatius: la màquina de vapor

Regulador de Watt

Què és el regulador de Watt?

Motors de combustió externa rotatius: Turbines de vapor

Les turbines funcionen en vapor d’aigua, són força grans i s’utilitzen bàsicament en les Centrals productores d’Electricitat, Tèrmiques i Nuclears.

La turbina de vapor és una màquina tèrmica de combustió externa, rotativa que transforma l’energia cinètica del vapor en energia de rotació

Com  Funciona una Turbina de Vapor?

En una caldera es fa bullir aigua, el combustible pot ser gas, petroli, carbó o urani. El vapor que es produeix és d’alta pressió  a través d’uns tubs que es diuen toveres es porta el vapor de la caldera fins la turbina.

Quan el vapor arriba a les turbines per les toveres fan girar els àleps (les pales) i fan girar l’eix que és solidari als àleps. L’eix es diu rotor.

Si el rotor (l’eix ) està enganxat a un generador d’electricitat, quan giri produirà energia elèctrica.

Aquestes turbines també s’anomenen de Cicle tancat.

Un cop el vapor surt de la turbina ja ha perdut la seva força i part del calor, però el vapor que queda s’aprofita condensant-lo i es tornarà a portar a la caldera per fer-lo servir. D’aquesta manera s’aprofita el calor i la pressió del vapor de sortida de les turbines.
Les pèrdues són menors i el rendiment de la màquina molt més gran.

Tipus de Turbines de Vapor

• Turbines d’acció
• Turbines d’acció i reacció

Turbines  d’acció: el vapor es distribueix mitjançant toveres a tots els àleps.

• Turbines de acció-reacció: El vapor impacta contra els àleps del primer rodet mòbil (acció) i es desplaça a un de fix, que el reenvia a un altre de mòbil amb un major diàmetre (reacció), i així successivament.
  Aplicacions de las Turbines de VaporInicialment s’utilitzaven per vaixells que necessitaven molta potència.
  • Centrals elèctriques, tèrmiques i nuclears. Sembla que el 75% de l’energia produïda al món es produeix amb turbines de vapor.

   

   

Màquines de combustió interna alternativa

En aquestes màquines la combustió es produeix a l’interior de la màquina. Els combustibles utilitzats han de ser gasos o líquids vaporitzats, per poder-los introduir a la màquina amb facilitat.

Un pistó es desplaça per un cilindre amb un moviment lineal alternatiu que es transforma en rotatiu a través d’un mecanisme de biela-maneta. Actualment representen la pràctica totalitat de tots els motors en automoció.

Existeixen dos tipus de màquines de combustió interna alternatives:

• • • d’encesa per guspira: GASOLINA: cicle OTTO
    • d’encesa per compressió: GASOIL: cicle DIESEL

El motor de Gasolina, cicle Otto o d’encesa per guspira de 4T:

El combustible s’injecta polvoritzat i barrejat amb aire o oxigen,dins d’un cilindre. Un cop dins del cilindre la mescla és comprimida. En arribar al punt de màxima compressió (punt mort superior o P.M.S.) es fa saltar una guspira, produïda per una bugia, que genera l’explosió del combustible. Els gasos tancats en el cilindre s’expandeixen empenyent un pistó que llisca dins del cilindre. L’energia alliberada en aquesta explosió és transformada en moviment lineal del pistó, al qual, a través de una biela i lel cigonyal, és convertida en moviment giratori. La inèrcia d’aquest moviment giratori fa que el motor no es pari i que el pistó torni a empènyer el gas, expulsant-lo per la vàlvula corresponent, ara oberta. Per últim el pistó retrocedeix de nou permetent l’entrada d’una nova mescla combustible.

Programa Què Qui Com “El motor de bat a bat”: el motor(minut 2,33 fins 13), elements auxiliars ( min11 al 15).

• El Motor de 2T:

El motor de dos temps és una màquina tèrmica que realitza els quatre passos del cicle en dos. Són motors senzills i lleugers.  La major part de motors d’aquesta mena funcionen amb una barreja de benzina sense plom i oli (de 2 a 4 % per a lubricar el pistó) com a combustible.

S’utilitza especialment en alguns mitjans de transport com ciclomotors, quads o embarcacions fora borda, en talladores de gespa, serres a motor, veremadors, recol·lectors d’olives, etc.

Els elements bàsics d’aquest motor, són:

• Cilindre: element del bloc motor.

• Èmbol o pistó: element mòbil que es desplaça per l’interior del cilindre, entre el punt mort superior (PMS) i el punt mort inferior (PMI). Té un moviment rectilini alternatiu.

• Biela: element que uneix l’èmbol o pistó amb el cigonyal.

• Cigonyal o manovella: element situat al càrter. Té un moviment circular.

• Espiralls d’admissió i d’escapament: permeten l’entrada de la barreja de combustible i aire al cilindre, i la sortida de gasos cremats. Els espiralls són unes obertures que tenen les parets del cilindre.

• Bugia: fa saltar entre els seus elèctrodes una guspira que provoca l’explosió.

El funcionament del motor de dos temps pot descriure’s en dos passos:

1. Admissió – compressió: El pistó tanca la boca de sortida de gasos cremats i obre la boca d’entrada dels gasos que venen del carburador. El buit produït al càrter provoca l’aspiració dels gasos combustibles (admissió) i la mescla l’aire i gasolina i oli procedent del carburador passa a l’interior del càrter. El pistó continua el seu moviment cap al PMS comprimint els gasos combustibles que hi havia a l’interior del cilindre.

2. Explosió – escapament: moviment descendent del pistó degut a l’explosió provocada per la guspira de la bugia des del PMS a PMI (explosió). Durant aquest moviment el pistó tanca la boca d’admissió i obre la d’escapament i la de càrrega. Es produeix la sortida de gasos cremats (escapament) i l’entrada al cilindre, per la boca de càrrega, dels gasos combustibles procedents del càrter. I a continuació es torna a iniciar el cicle.

Les principals característiques del motor de dos temps, són:

• • • És lleuger, fàcil de construir i econòmic.
    • No porta arbre de lleves ni vàlvules.
    • Treballa més revolucionat i per tant el seu desgast és major
    • Desenvolupa una potència més gran que el motor Otto de quatre temps, per una mateixa cilindrada.
    • Té un rendiment inferior al motor Otto de quatre temps, perquè durant l’explosió escapament, una part de la mescla de combustible i aire surt per l’espirall d’escapament, a la vegada que els gasos de la combustió.

Teòricament hauria de tenir el doble de potència que un de 4 temps similars característiques (cada volta produeix un cicle de treball), però no és així ja que els gasos de l’admissió entren al cilindre al mateix temps que surten el de l’explosió: barreja dels dos.

• El motor Diesel:

El seu funcionament és molt similar a un motor de gasolina de quatre temps.

• Admissió:entra aire dins d’un cilindre via una vàlvula d’admissió (1).
• Compressió: el pistó o èmbol comprimeix l’aire i en la màxima compressió (2),
• Explosió: introduïm carburant mitjançant un injector o atomitzador. De manera espontània es produeix una combustió, augment de temperatura i pressió que empeny el pistó (3) sent el moment on obtenim treball.
• Escapament: el pistó torna a comprimir els gasos resultant essent expulsats del cilindre (4) per la vàlvula d’escapament. El cilindre torna a expandir-se per deixar espai o aspirar més aire i repetir el cicle (1).

El combustible utilitzat, pot ser Gasoli o fueloil, olis tractats (biodièsels) . Han de ser combustibles que s’inflamen espontàniament al sotmetre’s a grans pressions.

Diferències entre el motor diesel i el de gasolina.

• Els motors de Gasolina, s’injecta carburant d’un sol cop i es fa explotar, gran part de l’energia s’escapa en forma de calor per les parets ja que no té temps de empènyer el pistó. En el dièsel, la combustió és mes continuada. La “pedalada” és més seguida en el recorregut, no tant brusca, millorant notablement el rendiment.

• En els motors de gasolina, el combustible es barreja amb l’aire abans d’entrar a la cambra de combustió. La temperatura del cilindre no pot ser gaire alta, ja que la barreja s’inflamaria. Els motors dièsels no tenen aquesta limitació i la temperatura de la combustió és més alta. Notar que el rendiment d’un motor tèrmic depèn de la màxima temperatura del cicle.

• Tot i tenir un bon rendiment per cicle, la potència d’un motor dièsel queda limitada per les poques revolucions per minut rpm que produeix. L’expansió a pressió constant requereix un cert temps, impossibilitant que els motors vaguin més enllà de les 3500 rpm.

Històricament els motors dièsel s’han utilitzat en indústria pesant (camions, ferrocarrils, vaixells, carros blindats…). Llocs on l’estalvi en pes de combustible justifica un increment en pes de motor. També destacar la seguretat en accidents al no ser directament inflamable i la fiabilitat.

Però en els darrers anys han experimentat un gran creixement en el sector automobilístic i interès en l’aeronàutic esportiu. Dos avenços tecnològics son responsables d’aquest canvi:

1. Injecció electrònica: la injecció del combustible a la cambra de combustió sempre ha estat el gran problema a resoldre. Per donar una idea, hem d’injectar 200 vegades per segon, uns pocs mil·ligrams de carburant a una pressió de 20 atmosferes (la que obtenim a 200 m per sota el mar). La quantitat de combustible ha de ser estiquiomètricament precisa, amb un error de 0,01 mil·ligrams, per no generar males combustions, quantitat que depèn de la pressió, temperatura d’entrada, revolucions del motor etc… És tal la dificultat tècnica que sovint els suposats avantatges dels motors dièsels han quedat anul·lats per la impossibilitat d’obtenir una correcta injecció del combustible. Des dels anys 90 hi ha una generació d’injectors gestionats electrònicament, capaços de complir amb més precisió i en un rang més ampli de condicions. De molts sistemes desenvolupats, destaquen el “common rail”.
2. Turbocompressor: si comprimim l’aire a l’entrada del pistó, podrem introduir més quantitat d’aire i cremar més combustible per cicle, augmentant la potència amb les mateixes rpm. Òbviament el motor ha de ser reforçat estructuralment, però els motors dièsels ja ho son per pròpia necessitat. Aquest dispositius eren costosos de construir, mantenir i gestionar,i sols eren utilitzats en motors d’altes prestacions (avions militars [WWII], cotxes esportius…). Amb la millora de materials, tècniques i gestió electrònica, s’han popularitzat. Avui en dia quasi tots els dièsels compten amb turbo-compressors, equiparant-los als motors de gasolina en la relació pes/potència.

http://www.tecno12-18.com/cat/mud/diesel/diesel.asp

Com es calcula la cilindrada d’un motor tèrmic?

Sistemes auxiliars:

• Alimentació: Subminiatra el combustible al motor.
  • Carburador o imnjector electònic subministra gsolina i aire als motors de 4 temps cicle Otto
  • Injectors, proporcionen gasoil diesel als motors d’encesa per compressió.
• Refrigeració: circuit tancat
• Sistema d’encesa , circuit elèctric que proporciona la guspira a la bugia en el moment de la compressió
• Lubrificació disminueix el fregament entre les parts mòbils del motor

Màquines de combustió interna rotatives

• Turbines de Cicle Obert.

• Turboreactor.

• El motor Wankel.

1. Turbines de gas de cicle obert

Una turbina de gas, és una màquina tèrmica dins de la família dels motors de combustió interna a la que té lloc una combustió continuada. Les turbines de gas de cicle obert són emprades bàsicament en la propulsió d’aeronaus i per la producció d’energia elèctrica. També consten de 4 fases que es van succeint de forma simultània en diferents llocs de la màquina. La configuració de les turbines de gas consta d’una cambra de combustió que aprofita l’energia química d’un flux continu de combustible i de dos etapes de turbomàquines, compressor i turbina. Aquest conjunt, mitjançant canvis en l’energia de pressió i cinètica del fluid de treball, dóna una sortida en forma d’energia mecànica que s’aprofita per a la producció de potència o per a la propulsió d’un vehicle. VÍDEO FUNCIONAMENT BÀSIC D’UNA TURBINA DE GAS DE CICLE OBERT

Publicitat turbines industrials Siemens

2. Turboreactor:

É    s un tipus de turbina de cicle obert

Infgrafia Consumer : Per què vola un avió?

3. Motor Wankel

Un motor rotatiu o Wankel, en honor al seu creador el Dr. Felix Wankel, és un motor de combustió interna que funciona d’una manera completament diferent als motors convencionals. En un motor alternatiu, el mateix volum (cilindre) efectua successivament 4 diferents treballs – admissió, compressió, combustió i escapament. En un motor Wankel es desenvolupen els mateixos 4 temps però en llocs diferents de la carcassa o bloc; és a dir, és com tenir un cilindre dedicat a cadascun dels temps, amb el pistó movent-se contínuament d’un a altre. Més concretament, el cilindre és una cavitat amb forma de 8, dintre del qual es troba un pistó triangular que realitza un gir de centre variable. Aquest pistó comunica el seu moviment rotatori a un cigonyal que es troba en el seu interior, i que gira ja amb un centre únic.

De la mateixa manera que un motor de pistons, el rotatiu empra la pressió creada per la combustió de la barreja aire-combustible. La diferència està en què aquesta pressió està continguda en la cambra formada d’una banda del recinte i segellada per un dels costats del rotor triangular (que en aquest tipus de motors reemplaça als pistons).

El rotor segueix un recorregut en el qual manté els seus 3 vèrtex en contacte amb l’allotjament, delimitant així tres compartiments separats de barreja. A mesura que el rotor gira dintre de la càmera, cadascun dels 3 volums s’expandeixen i contreuen alternativament; és aquesta expansió-contracció la qual succiona l’aire i el combustible cap al motor, comprimeix la barreja, extreu la seva energia expansiva i l’expel·leix cap a l’escapament.

Avantatges

• Menys peces mòbils: El motor Wankel té menys peces mòbils que un motor alternatiu de 4 temps. I per tant  en una major fiabilitat.
• Suavitat de marxa:
• Menor velocitat de rotació: Atès que els rotors giren a 1/3 de la velocitat de l’eix, les peces principals del motor es mouen més lentament que les d’un motor convencional, augmentant la fiabilitat.
• Menors vibracions: Atès que les inèrcies internes del motor són molt petites (no hi ha bieles, ni volant d’inèrcia, ni recorregut de pistons), solament les petites vibracions en l’excèntrica es veuen manifestades.

Inconvenients

• Emissions: És més complicat (encara que no impossible) ajustar-se a les normes d’emissions contaminants.
• Costos de manteniment: En no estar tan difós, el seu manteniment resulta costós.
• Consum: L’eficiència termodinàmica (relació consum-potència) es veu reduïda per la forma allargada de la cambra de combustió i la baixa relació de compressió.
• Difícil estanqueïtat: Resulta molt difícil aïllar cadascuna de les 3 seccions del cilindre en rotació, que han de ser impermeables unes d’altres per a un bon funcionament. A més es fa necessari canviar el sistema d’estanqueïtat cada 6 anys aproximadament, pel seu fort desgast.
• Sincronització: La sincronització dels diferents components del motor ha de ser molt bona per tal d’evitar que l’explosió de la barreja s’iniciï abans que el pistó rotatiu es trobi en la posició adequada. Si això no ocorre, la ignició empentarà en sentit contrari al desitjat, podent danyar el motor.

http://www.mnactec.cat/~factoria/interactius/motors.html

Conseqüències de l’ús dels Combustibles fòssils:

• Efecte hivernacle
• Pluja àcida
• Escalfament global del planeta

Combustibles

Els combustibles que tradicionalment s’han utilitzat són combustibles fòssils, provenen de la matèria orgànica fossilitzada.

Alternatives als Combustibles fòssils

1. Biocombustibles: s’obtenen a partir de transformacions de la biomasa. Són molt menys contaminants.

• Biodièsel: és un combustible líquid produït a  a partir d’olis vegetals com la colza, el girasol o la soja. Les propietats del biodiesel són pràcticament les mateixes  que el gasoil per això es pot barrejar i fins i tot substituir sempre que es realitzin algunes  petites modificacions en el motor.
  Infografia Consumer: Biodièsel

• Bioalcohols: alcohol producido a partir de materias y restos orgánicos mediante fermentación alcohólica. Existe tecnología para producir alcohol a partir de caña de azúcar, yuca, madera o restos celulósicos.

2.Cotxes elèctrics