Màquines tèrmiques
Els motors tèrmics
Els motors tèrmics transformen l'energia d'un combustible en energia de moviment (en energia mecànica). Aquesta transformació es produeix en els motors a través d'un conjunt de mecanismes
TRANSFORMACIÓ DE L'ENERGIA TÈRMICA EN ENERGIA MECÀNICA
Un motor tèrmic és una màquina motriu que transforma l'energia tèrmia en energia mecànica. La classificació dels motors tèrmics és:
El cavall de vapor (CV) és una unitat de mesura de la potència que no forma part del sistema internacional d'unitats, però encara es fa servir tot i que tendeix a desaparèixer. 1 CV equival 735,5 W; per arrodonir és usual utilitzar el valor de 736 W
EL RENDIMENT ENERGÈTIC
En una transformaicó ideal, sense pèrdues, el rendiment seria 100 %, però aquesta situació no pot donar-se a la realitat. Totes les transformacions energètiques tenen rendiments inferiors al 100%.
MÀQUINES TÈRMIQUES DE COMBUSTIÓ EXTERNA
Es fabriquen per a diferents tipus de combustibles :
1r temps : admissió
(En aquesta fase l’èmbol se situa al punt mort superior. La vàlvula d’escapament és tancada i la d'admissió oberta. Es produeix una succió que aspira l'aire de l'exterior que hi entra barrejat amb una petita quantitat de combustible que ha estat polvoritzada per l'injector )
4t temps : escapament
El motor d'encesa per compressió o de cicle dièsel
En els motors es defineixen diferents característiques que determinen el seu comportament: la cilindrada, la relació de compressió i la potència
- En les màquines de combustió externa , el combustible es crema fora de la màquina per escalfar aigua fins convertir-la en vapor. El vapor a pressió es condueix al mecanisme que transforma la seva "força" en energia mecànica.
- En les màquines de combustió interna, el combustible es crema a l'interior del motor i l'expansió dels gasos es transforma en energia mecànica.
- Els motors rotatius, la conversió de l'energia tèrmica en un moviment es produeix en mecanismes rotatius, sense intermediaris.
- En els motors alternatius, la primera transferència d'energia es produeix sobre un element, anomenat èmbol, que té un desplaçament rectilini alternatiu, d'anada i tornada, que s'ha de convertir en giratori a través d'un sistema de biela-manovella
TREBALL,ENERGIA I POTÈNCIA
- S'anomena treball l'acció d'aplicar una o més forces sobre un cos i provocar o modificar el seu moviment.
Expressió matemàtica de treball és:
L'ENERGIA
Quan s'efectua un treball, es consumeix una quantitat equivalent d'energia
L'energia és la capacitat de realitzar un trebal. En conseqüència, la unitat de treball és la mateixa que la d'energia: el joule [J]
El quilowatt hora [kWh] és una unitat d'energia que sol utilitzar-se per expressar el consum d'energia elèctrica.
LA POTÈNCIA
S'anomena potència el treball efectuat per unitat de temps. Dóna idea de la rapidesa amb què es pot realitzar un treball.
EL CAVALL DE VAPOR
El cavall de vapor (CV) és una unitat de mesura de la potència que no forma part del sistema internacional d'unitats, però encara es fa servir tot i que tendeix a desaparèixer. 1 CV equival 735,5 W; per arrodonir és usual utilitzar el valor de 736 W
EL RENDIMENT ENERGÈTIC
- El rendiment és l'eficàcia de transformació energètica.
- Els motors tèrmics tenen un rendiment baix; en canvi, els motors elèctrics tenen un rendiment alt(al voltant del 90%)
- Totes les transformacions energètiques tenen un rendiment inferior al 100%.
- En qualsevol transformació d'energia es vol aconseguir que l'energia aportada a una màquina es transformi totalment en energia útil , és a dir , en treball, però una part sempre es perdrà en la transformació.
El rendiment (h) és una forma d'expressar l'eficiència d'una transformació energètica, que s'obté de relacionar l'energia útil (Eu) amb l'energia d'entrada (Ee) . Es multiplica per 100 per obtenir el resultat en %.
La transformació d’energia
calorífica en energia mecànica es du a terme fora de la màquina, generalment per escalfar aigua, transformar-la ven vapor i, amb la pressió d’aquest, moure una
turbina.
La turbina de vapor rotativa
- La turbina de vapor rotativa forma part dels sistemes d'obtenció d'energia elèctrica en centrals tèrmiques (carbó, fuel,gassoil , gas natural) i en centrals nuclears.
- La turbina rep el vapor procedent d'una caldera, on es produeix la vaporització de l'aigua, a partir de la calor generada per un combustible o per una reacció nuclear. El vapor es mou en un circuit tancat
- Les més usuals són les turbines d'acció i reacció. En aquestes turbines hi ha uns quants rodets, uns de fixos i uns altres de giratoris, col·locats alternativament.
- El vapor incideix primer sobre els àleps d'un rodet giratori fent-lo girar (acció). En sortir d' aquests és dirigit cap als àleps del rodet fix que el dirigeixen de nou cap al rodet següent (reacció), que és giratori, i així successivament , fent girar l'eix central.
Es fabriquen per a diferents tipus de combustibles :
- Gasolina
- Gasoil
- Gas natural
- El tipus de combustible determina el disseny específic del motor. N'hi ha de dos tipus de motors d'encesa per guspira o de cicle Otto, i els d'encesa per compressió o de cicle dièsel . Hi ha dues estructures de motors: de dos temps ( 2T) i de quatre temps ( 4T )
El motors d'encesa per guspira o de cicle Otto
Aquest motor porta el nom de l'enginyer alemany Nikolaus Otto, el qual el va dissenyar l'any 1876. Aquest motor s'alimenta amb gasolina. Hi ha dos sistemes per portar la gasolina del dipòsit al motor, a través de carburador i a través d'injector . La bugia provoca l'espurna amb què s'inflama la gasolina.
1r temps : admissió
- Admissió: entrada de barreja de combustible
(En aquesta fase l’èmbol se situa al punt mort superior. La vàlvula d’escapament és tancada i la d'admissió oberta. Es produeix una succió que aspira l'aire de l'exterior que hi entra barrejat amb una petita quantitat de combustible que ha estat polvoritzada per l'injector )
2n temps : compressió
- Compressió: La vàlvula d'admissió es tanca i l’èmbol inicia l’ascens fins a arribar al PMS. La barreja d'aire i gasolina arriba a la màxima compressió.
3er temps: explosió
- Explosió: En aquest temps es produeix l’explosió del combustible. En el cas del cicle d’Otto o motors de gasolina, l’explosió és provocada per la guspira de la bugia.
- En el cas dels motors dièsel, l’explosió és provocada per la mateixa compressió del combustible, ja que no porten bugia.
4t temps : escapament
- Escapament: En aquest temps s'obre la vàlvula d'escapament i els gasos surten a l'exterior empesos per la pujada de l’èmbol. Quan aquest arriba al PMS, aquesta vàlvula es tanca i el cicle torna a iniciar-se pel temps d'admissió.
El motor d'encesa per compressió o de cicle dièsel
- Aquest motor porta el nom de 'enginyer que el va dissenyar a finals de sengle XIX: Rudolf Diesel. És un motor de 4T en què la inflamació de la mescla d'aire i combustible es fa per compressió, sense guspira. Com a combustible utilitza el gasoil.
- Per provocar l'explosió, un injector expulsa una petita quantitat de gasoil al cilindre. En entrar en contacte amb l'aire calent i a pressió, s'inflama i genera una forta explosió que empeny l'èmbol cap al PMI.
- El cicle d'escapament és igual que en un motor de cicle Otto. Els motors dièsel són més duradors
Rudolf Diesel
Biografia de Rudolf Diesel: https://www.youtube.com/watch?v=F8n7m5dspdM
Característiques dels motors
En els motors es defineixen diferents característiques que determinen el seu comportament: la cilindrada, la relació de compressió i la potència
- La cilindrada és una característica dels motors que està relacionada amb la potència que pot lliurar i el seu consum
- El volum d'un cilindre (Vc) es calcula a partir del seu radi (r) i de la cursa (c). La cursa és la distància màxima que recorre l'èmbol: entre el PMS i el PMI
- El volum màxim d'un cilindre ( V màx.) es calcula sumant el volum del cilindre (Vc) i el volum de la cambra de combustió
- La cilindrada del motor ( V t) dependrà del nombre de cilindres (n c) que tingui:
En tots els càlculs anteriors cal utilitzar els centímetres com a unitat de mesura per tal d' obtenir els valors en centímetres cúbics [cm 3]
- La relació de compressió d'un motor es calcula com el quocient entre el volum màxim ( V màx.) i el volum de la cambra de combustió (V mín.)
- La potència varia amb la freqüència de rotació del cigonyal
MÀQUINES DE COMBUSTIÓ INTERNA ROTATIVES
Les turbines de gas són utilitzades en l'accionament d'alternadors per a la producció d'electricitat, i els turboreactors s'empren en el camp de l'aeronàutica.
La turbina de gas de cicle obert
- Les turbines de gas de cicle obert són utilitzades en la propulsió d'aeronaus i energia elèctrica.
- El seu funcionament es basa en l'energia d'uns gasos que passen a gran velocitat pels àleps fent-los girar.
- Per això s'aspira aire i es comprimeix dins una cambra on s'injecta el gas o un combustible líquid polvoritzat, que barrejat amb l'aire, inicia la combustió.
- Els gasos produïts en la combustió surten a gran velocitat, passant per la turbina, fent-la girar.
El combustible més utilitzat en les turbines de gas sol ser el gas natural.
El turboreactor
El turboreactor és una variant de la turbina de gas de cicle obert que té aplicació en el camp de l'aeronàutica. Les quatre fases del motor: admissió, compressió, explosió i escapament, es produeixen simultàniament, al llarg del turboreactor.
- Els gasos generats són expulsats cap a l'exteror, a alta temperatura i a gran velocitat, tot passant pels àleps de la turbina que gira solidària a l'eix. Pel principi d'acció-reacció s'origina una empenta del motor en sentit contrari a l'entrada de l'aire, que el fa avançar. Com a combustible utilitzen el querosè
ELS COMBUSTIBLES
- La gran majoria de combustibles que fem servir avui dia són fòssils, concretament la gasolina i el gasoil, derivats del petroli, contaminants del medi ambient i causants de l’efecte d’hivernacle.
- En els darrers anys s’ha intentat iniciar un canvi de model, sobretot a través del cotxe elèctric; tot i això, encara queda molt camí per recórrer si es vol substituir a gran escala els combustibles fòssils.
-Diòxid de carboni (CO2)
-Òxids de nitrogen (NO2) i de sofre (SO2)
-Vapor d'aigua
El diòxid de carboni és el responsable de l'efecte hivernacle que està provocant un canvi climàtic. Els òxids de nitrogen i de sofre causen les pluges àcides.
Relació entre l'increment de CO 2 i l'escalfament global COM AFECTA TOT AIXÒ AL MEDI AMBIENT?
- Contaminación Diesel: https://www.youtube.com/watch?v=c64taJ1_6_0
- Capítol sobre els motors elèctrics per vaixells : https://www.youtube.com/watch?v=7w70ZmyKyls
- La combustió i el medi ambient :https://www.youtube.com/watch?v=imwmSMyNMT4
