Màquines tèrmiques


Les màquines tèrmiques són les que aprofiten l’energia tèrmica de combustibles com el carbó, la fusta, gasolina ... per transformar-la en energia mecànica capaç de realitzar un treball (mitjançant una combustió).
Per poder cremar un combustible (combustió) calen els següents elements:
  • Combustible
  • Oxigen
  • Flama o guspira
Els motors tèrmics es poden classificar segons si la combustió es realitza a l’interior o a l’exterior del motor en:
  • Motors de combustió interna.
Màquina de combustió externa inventada per James Watt 1769, anteriorment Papin, Savery i Newcomen ja havien creat màquines semblants però menys eficients i segures. A partir de la combustió del carbó s’obtenia vapor (per això moltes fàbriques se’ls anomenava vapors) que feia moure un pistó obtenint energia mecànica. A Catalunya, la màquina de vapor va ser introduïda per Francesc Santpontç i Francesc Salvà.
Parts de la màquina de vapor i principi de funcionament:
  • Caldera: lloc on es cremava el combustible (carbó). L’aigua es feia passar per unes canonades situats a l’interior de la caldera i per efecte de les altes temperatures es transformava amb vapor. Aquest vapor adquireix pressió i es feia arribar fins el cilindre. A la caldera també s’hi generaven residus: els fums (a l’atmosfera a través de la xemeneia) i les cendres (calia treure-les, per tant aturar la caldera o bé tenir una doble caldera per no aturar la producció)
  • El cilindre i el distribuïdor: L’alta pressió del vapor injectat al cilindre feia que el pistó es desplacés des de PMI al PMS. Quan el pistó arribava al PMS el vapor s’introduïa per l’altre extrem del cilindre fent que el cilindre es desplacés en sentit contrari. El mecanisme encarregat de fer entrar el vapor a l’interior del cilindre, alternativament per un extrem o per l’altre era el distribuïdor. El pistó anava unit a la biela manovella que transformava el moviment rectilini en moviment circular uniforme (gràcies al volant d’inèrcia
  • El regulador de boles, centrífug o de Watt: Quan aquesta màquina funcionava amb una càrrega elevada disminuïa la velocitat i al fer-la treballar un buit augmentava la velocitat. Per tal de fer que la velocitat fos constant per a qualsevol règim de treball es va utilitzar el regulador centrífug. Eren dues boles pesants que giraven a una velocitat proporcional a la màquina principal. Al accelerar la màquina la força centrífuga feia enlairar les boles (aquestes tancaven la vàlvula d’accés del vapor, disminuint la velocitat). Al baixar les boles, la vàlvula de vapor es tornava a obrir i la màquina es tornava a accelerar.
Aplicacions: Va ser una màquina molt utilitzada antigament a les indústries (ja no els va caldre dependre de l’energia de l’aigua) i més endavant als transports (ferrocarrils, vaixell...) i per les activitats agrícoles.
video
  • Fes la lectura següent i les activitats
Màquina rotativa de combustió externa normalment utilitzades per accionar generadors.
Parts de la turbina de vapor i principi de fun cionament
Es produeix el vapor d’aigua a la caldera a partir d’una combustió (igual que les màquines alternatives).
  • Turbines d’acció: Aquest vapor es conduït cap a la turbina i passa per unes toveres que dirigeixen el vapor cap una àleps situats a la perifèria del rodet giratori, la enorme pressió del vapor la fa girar.
  • Turbines d’acció i reacció: Tenen varis rodets uns de fixos altres de giratoris col·locats alternativament. El vapor llavors incideix primer sobre els àleps d’un rodet giratori fent-lo girar (acció), però en sortir d’aq uest i degut a la inclinació dels àleps, és dirigit cap els àleps del rodet fix que també estan inclinats de manera que el dirigeixen de nou cap el rodet següent (reacció) que és giratori, i així successivament. Els rodets tenen diàmetres creixents des de l’entrada del vapor a la sortida per aprofitar millor l’energia del vapor a mesura que perd pressió.
3. MOTOR D’ENCESA PER GUSPIRA O DE CICLE OTTO

Motor de quatre temps (4T)

Inventat per Nikolaus Otto el 1876 (enginyer alemany)
Utilitza gasolina com a combustible i transforma l’energia tèrmica en mecànica impulsant un pistó que transforma el seu moviment alternatiu en circular a través d’un mecanisme biela – manovella.

Funcionament del motor de quatre temps:
  • Admissió: s’obre la vàlvula d’admissió i al baixar el pistó xucla la mescla de gasolina i aire que ve del injector electrònic, antigament era un carburador. (Pistó al PMS i baixa al PMI)
  • Compressió: la vàlvula d’admissió es tanca i el pistó puja comprimint la mescla de gasolina i aire. (Moviment ascendent del pistó fins PMS)
  • Explosió: una guspira elèctrica produïda per la bugia inflama la mescla provocant una explosió. Es generen molts gasos que empenyen el pistó cap a baix. És l’única fase que es produeix treball. (Moviment descendent del pistó)
  • Escapament: s’obre la vàlvula d’escapament i surten els gasos de la combustió al pujar el pistó. Es tanca la vàlvula i torna a començar el cicle. (moviment ascendent del pistó de PMI a PMS)
video
Aquests motors solen tenir quatre cilindres o més i cada un fa el treball en un cicle.


Motor de dos temps (2T). (Les motos petites)

Són motors lleugers i senzills amb un funcionament similar als de 4T.
No porten vàlvules ni arbres de lleves, són econòmics i indicats per màquines de poca potència (ciclomotors, serres mecàniques, grups electrògens ...)
En el primer temps es produeixen simultàniament les fases d’admissió i compressió i en el segon temps es produeixen, també simultàniament, les fases d’explosió i escapament.
Els motors de 2T utilitzen gasolina mesclada amb oli del 2 al 4% (mescla) per lubrificar el pistó (no cal oli al carter)

Principi de funcionament:
  • Admissió i compressió: El pistó es desplaça del PMI al PMS (moviment ascendent). El pistó tanca la boca de sortida dels 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 d’aire, gasolina i oli procedent del carburador passa a l’interior del càrter. El pistó continua el seu moviment cap PMS comprimint els gasos combustibles que hi havia a l’interior del cilindre.
  • Explosió i 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. A continuació torna a iniciar-se el cicle.
El motor de dos temps hauria de tenir un rendiment molt superior al de 4T (ja que dels dos temps del cicle, un és productiu i l’altre consumeix energia). Però no és així ja que els gasos d’admissió entren dins del cilindre al mateix temps que surten els d’explosió, la qual cosa sempre provoca que es barregin un xic. El mot or de dos temps treballa més revolucionat que el de 4 T això provoca més desgast



4.MOTOR D'ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL (inventat per Rudolf Diesel)

La característica principal d’aquest motor és que l’explosió no es produeix a través d’una guspira, sinó que es produeix espontàniament a causa de les condicions de temperatura i pressió a què se sotmet el combustible (al comprimir un gas augmenta la seva temperatura, si aquest gas es combustible i el comprimim fins a la temperatura de combustió explotarà sense necessitat de guspira).
Normalment el motor dièsel segueix un cicle de 4T (pot ser de 2T també però poc utilitzat) com el de gasolina però amb diferències.

Principi de funcionament:
  • Admissió: Comença quan el pistó està a punt d’arribar al P.M.S. Durant aquest temps, s’obre la vàlvula d’admissió i el desplaçament del pistó fins a la part inferior del cilindre provoca l’entrada d’aire (sense combustible). Tot seguit es tanca la vàlvula d’admissió.
  • Compressió: Amb les vàlvules tancades el pistó, desplaçant-se cap a la part superior del cilindre, comprimeix l’aire. La compressió és forta i ràpida i provoca que la temperatura de l’aire arribi a valors molt elevats.
  • Explosió: Després de la compressió, uns injectors introdueixen a pressió la dosi de gas-oil necessària. En aquest moment i a causa de l’alta temperatura i la pressió que assoleix dins la cambra de combustió, el combustib le s’inflama i es produeixen una gran quantitat de gasos que empenyen amb força el pistó cap a la part inferior del cilindre.
  • Escapament: Un cop el pistó ha arribat al P.M.S., s’obre la vàlvula d’escapament i surten els gasos gràcies al moviment ascendent del pistó. Quan el pistó arriba a la part superior del cilindre, la vàlvula d’escapament es tanca, s’obre la d’admissió i el cicle torna a començar.
Els motors dièsel tenen un rendiment m olt alt, són més robustos, duradors i tenen un consum més baix que el de cicle Otto i el combustible és més econòmic. Al no tenir l’encesa amb guspira (no té bugies, ni delco) fa que tingui menys avaries. S’han utilitzat tradicionalment en camions, tractors, autocars, trens i vehicles pesants. En l’actualitat gràcies al seu desenvolupament (pes i prestacions) s’usa en automòbils particulars.


Es pot visualitzar aquesta animació
SISTEMES AUXILIARS

Alimentació
Dispositiu que subministra la mescla d’aire i combustible al motor. Pot fer-ho mitjançant:
  • Carburador: Dispositiu capaç de subministrar una mescla de gasolina i aire avui en dia poc utilitzada.
  • La injecció electrònica: Mètode molt utilitzat en els cotxes i ha substituït els carburadors. La gasolina s’injecta, en la quantitat justa, als cilindres mitjançant els injectors obtenint un rendiment més alt.
Refrigeració
Refreda el motor. Les explosions provoquen altes temperatures que podrien malmetre el motor.
  • Circuit de refrigeració: cal reduir la temperatura del motor deguda a les explosions. Es fa circular un líquid pel circuit de refrigera ció. El líquid calent que surt del motor es refreda al radiador.
Sistema d’encesa
Està format pel circuit elèctric que subministra la guspira a la bugia. (només en els motors de gasolina)
  • Bugia: element que es troba a la culata i és l’encarregat de generar la guspira que provoca l’explosió.
Motor d’arrencada
Motor elèctric que arrossega el motor en el moment d’engegar-lo.

Lubrificació
Tots els elements mòbils els cal una quantitat d’oli lubrificant per augmentar el rendiment del motor, reduir desgast i dissipar també la calor ge nerada pel fregament.
  • Lubrificant: Oli que disminueix el fregament de les parts mòbils del motor i facilita el moviment
  • Carter: és un recipient que conté l’oli que lubrifica tots els elements interns del motor.
  • Bomba: impulsa l’oli a totes les parts que ho necessiten (parets interiors del cilindre, articulacions, biela – cigonyal...)
En els motors de 2 T l’oli està incorporat amb la gasolina (mescla)

Altres elements
  • El Turbo: consisteix a introduir els gasos combustibles dins el cilindre a una pressió superior a l’atmosfèrica. D’aquesta manera augmenta la quantitat i la velocitat d’entrada dels gasos combustibles a l’interior del cilindre i per tant la potència del motor. L’element encarregat d’introduir els gasos a pressió és una bomba turbina anomenada turbocompressor.
  • Escapament: porta el fum del motor a l’exterior i esmorteeix el soroll.
CARACTERÍSTIQUES DELS MOTORS
Les característiques més importants dels motors d’explosió són:
  • Nombres de cilindres
Els motors solen tenir un, dos, quatre, cinc, vuit o dotze cilindres. Però el més usual és tenir 4 cilindres per els cotxes, un o dos per les motos.
  • Cilindrada (motor de 125 cc o 500 cm3)
És la suma dels volums de tots els cilindres d’un motor d’explosió

  • Relació de compressió
Ens indica la relació entre el volum màxim i el mínim dins el cilindre.
Volum màxim: quan el pistó està al PMI (inclou el volum del cilindre i el volum de la cambra de combustió)
Volum mínim: volum de la cambra de combustió.

La relació de compressió sol ser de 8 – 10 a 1 per motors Otto i de 14 – 22 a 1 per motors dièsel.
  • La potència i el parell motor
  • Consum
Ens indica els litres de combustible consumits en una hora de funcionament. També se’ns sol donar en litres per cada 100 Km recorreguts a una velocitat determinada com ara 10 L/100Km a 120 Km/h.

5. MÀQUINES DE COMBUSTIÓ INTERNA ROTATIVES

MOTORS WANKEL

Motor de combustió interna rotatiu dissenyat per l’enginyer alemany Felix Wankel 1963
Té els mateixos cicles que el motor Otto però un darrera l’altre en una sola rotació de l’eix motriu .
Durant un gir del rotor es duen a terme: tres admissions, tres compressions, tres explosions i tres escapaments.
El rotor del motor té forma de triangle equilàter amb els tres costats corbats enfora i gira excèntricament dins d’una superfície interior que té forma de cambra ovalada. Els vèrtex del rotor duen unes barres prismàtiques que fan pressió damunt la concavitat de la cambra i asseguren l’estanquitat d’un cantó del rotor a l’altre.

Principi de funcionament:
  • 1ra figura
Al costat dret del rotor hi ha l’admissió
A la part inferior del rotor es comprimeix la mescla d’aire – gasolina procedent de la darrera admissió.
Al costat esquerra es du a terme l’escapament.
  • 2ra figura
Al girar una mica el rotor apareixen dues subcambres a la part inferior del rotor, on hi ha la mescla comprimida anteriorment. A la subcambra de l’esquerra hi ha la bugia que provocarà la guspira i, alhora, l’explosió que impulsarà amb força el rotor fent-lo girar.
Simultàniament s’està produint l’admissió i l’escapament als altres dos costats del rotor.
  • 3ra figura
S’observa l’expansió produïda per la darrera explosió i és a punt d’iniciar-se una nova compressió i un nou escapament.
El moviment del rotor és transmès a l’arbre motriu a través d’una corona interior dentada que engrana amb l’engranatge exterior de l’eix.

Avantatges:
No produeix moviments alternatius (no vibra) i silenciós. Menor pes i menor volum. Reduït cost de fabricació. Es produeixen tres explosions en una sola rotació.

Inconvenients:
No se sol utilitzar degut als problemes:
  • d’estanquitat de les subcambres
  • de refrigeració i de lubrificació
Aquests problemes fan que tingui una vida curta.



LA TURBINA DE GAS DE CICLE OBERT

Utilitzades per la propulsió d’aeronaus i per produir energia elèctrica

6. ELS COMBUSTIBLES

Com hem vist els combustibles utilitzats per les diferents màquines són:
Tots excepte els combustibles nuclears provenen de combustibles fòssils.
Actualment es comencen a utilitzar els biocarburants
Els biocarburants són combustibles líquids que provenen d’organismes recentment vius o les seves desfetes (biomassa), són molt menys contaminants !!
Hi ha dos tipus de biocarburants:
  • Els biodiésels à s’obtenen a partir d’olis vegetals purs o usats (de cuinar)
  • Els bioalcohols (metanol i etanol) à a partir de biomassa (fustes, canya de sucre, colza ...)
Nivell d’emissions dels diferents combustibles:

Actualment hi ha una normativa que limita l’emissió de diòxid de carboni dels automòbils. (g/km)
Per tal de reduir l’impacte de les emissions dels gasos es obligatori en determinats vehicles l’ús del catalitzador (dispositiu que depura, filtre, els gasos d’escapament)

7. CONSEQÜÈNCIES DE L'ÚS DE LES MÀQUINES TÈRMIQUES
El funcionament de les màquines tèrmiques provoca una sèrie d’efectes no desitjats:
  • Contaminació ambiental (emissió de productes perillosos, com fum, gasos, partícules, a l’atmosfera i la producció de soroll)
Substàncies nocives que es generen quan es crema un combustible fòssil:
    • Òxids de nitrogen NO2, de sofre SO2 à causants de la pluja àcida
    • Òxids de carboni CO i CO2
      • Monòxid de carboni --> tòxic
      • Diòxid de carboni --> causant de l’efecte hivernacle
    • Metalls pesants com el plom --> molt tòxic
  • Esgotament de recursos naturals (utilitzen combustibles fòssils com el carbó, el petroli o el gas natural)
EFECTE HIVERNACLE
La temperatura del nostre planeta és perfecte per a la vida.
La Terra rep l’escalfor del sol. Alguns gasos de l’atmosfera (CO2, H2O i 30 gasos més) la retenen i eviten que part d’aquesta escalfor s’escapi de retorn a l’espai (actuen com un vidre en un hivernacle).
Avui dia aquesta situació d’equilibri delicat està en perill a causa de la contaminació de l’atmosfera, que provoca que els gasos retinguin massa calor a prop de la superfície.
Això fa que les temperatures de tot el planeta augmentin provocant un canvi climàtic a nivell mundial.
Efecte hivernacle: és l’augment de temperatura de l’atmosfera com a conseqüència de la presència de gasos hivernacle (deixen passar la radiació solar i retenen massa el calor)
Gasos hivernacle: CO2, H2O, CFC, CH4 (Metà), O3 (Ozó de superfície) ...

CAUSES (del excés de gas hivernacle)
  • Crema de combustibles fòssils (carbó, petroli, gas natural ...) Es cremen a les cases, les indústries, els cotxes, les centrals energètiques.
  • Crema de selves per obtenir els terrenys de conreu (s’alliberen gran quantitats de CO2). Els arbres absorbien el CO2. Per tant és una contribució doble al efecte hivernacle.
CONSEQÜÈNCIA DEL INCREMENT DE TEMPERATURA
Un augment mig de la temperatura de tot el planeta és un problema important amb conseqüències catastròfiques.
  • El clima de tot el món canviarà.
  • Les temperatures del nostre país equivaldrien a les actuals del centre d’Àfrica, fet que comportaria un canvi radical per als conreus i podria provocar greus sequeres.
  • Augment del nivell del mar degut a que les glaceres dels pols es fondrien
  • Pèrdues de terrenys habitats (Holanda, Florida ...).
SOLUCIONS (què s’hi pot fer)
  • Reduir la quantitat de gasos hivernacle
  • Utilitzar menys combustibles fòssils (utilitzar energies alternatives: eòlica, hidroelèctrica, solar, mareomotriu, geotèrmica, nuclear però els perills que comporta en restringeix el seu ús.
  • Estalvi energètic:
    • bombetes de baix consum.
    • calefacció (tenir un bon aïllament)
    • tancar el llum quan no el necessitem
    • utilitzar transport públic
    • no utilitzar aerosol.
  • Evitar la desforestació dels boscos
  • Plantar més arbres.
PLUJA ÀCIDA
Els combustibles que cremem als vehicles, les cases, les fàbriques i a les centrals tèrmiques emeten uns gasos que contenen (diòxid de sofre SO2 i diòxid de NO2) que combinats amb la humitat de l’atmosfera, formen àcids que cauen amb la pluja (àcid sulfúric H2SO4 i àcid nítric HNO3).
La pluja contaminada amenaça la salut de les persones, destrueix la vida als estanys, llacs i rius i perjudica als arbres i en causa la mort i afecta els edificis.
La pluja àcida es desplaça de la zona on es forma a altres àrees (llocs llunyans) Ex: Gran Bretanya i Escòcia pateixen la pluja àcida que genera Anglaterra i Gran Bretanya causen pluges àcides a Escandinava (Països Nòrdics).
CAUSES PRINCIPALS
  • Combustió de combustibles fòssils a les centrals tèrmiques.
CONSEQÜÈNCIES:
  • Contaminació d’aigües
  • Crema les fulles dels arbres i els pot provocar la mort.
  • El sòl perd els nutrients.
  • Erosiona els materials de construcció (edificis).
Activitats:
  • Fes la lectura i els exercicis d'aquest resum del tema de les màquines tèrmiques (Col·legi Sant Gabriel de Barcelona)
  • Motors tèrmics (Ed. text)
  • Visualitza la part de les màquines tèrmiques i fes les activitats (SM)
Curiositats:
Vídeo de la construcció d'un pistó
Vídeo "Els cotxes del futur"
Vídeo "El combustible del futur"