les màquines tèrmiques 3r eso

LES MÀQUINES TÈRMIQUES

Tecnologia 3r ESOJordi Pipó i Vicent

1. Introducció

Quan va aparèixer el primer motor? Com funcionava?

Quines diferències hi ha entre un motor de 4 i de 2 temps? I entre el de gasolina i el de gasoil?

Com es poden fer motors més nets? Es pot canviar la dependència del petroli i

utilitzar una altra font?

2. Evolució i classificació EVOLUCIÓ

Màquina de vapor: revolució industrial s.XIX Anteriorment: aigua, vent Combustió interna: motos, automòbils, vaixells (ppis.

s. XX) Exemples: Newcomen (finals s.XVIII), Rocket (ppis.

s.XIX)

2. Evolució i classificació MÀQUINES I MOTORS TÈRMICS

Màquina tèrmica: transforma l’energia tèrmica en mecànica o a l’inversa.

Motor tèrmic: tipus de màquina que transforma l’energia tèrmica en mecànica.

Així una nevera és una màquina tèrmica, però no un motor.

2. Evolució i classificació CLASSIFICACIÓ

2. Evolució i classificació CLASSIFICACIÓ

Combustió externa: el combustible es crema fora de la màquina i se n’aprofita la calor resultant en forma de vapor d’aigua.

Combustió interna: el combustible es crema a l’interior i s’aprofiten els gasos resultants per a fer el moviment.

Alternatives: transformen el moviment alternatiu en moviment de rotació utilitzant un pistó i una biela-manovella.

Rotatives: produeixen el moviment de rotació directament.

2. Evolució i classificació CLASSIFICACIÓ

Motor dièsel Motor Otto

3. Les màquines de vapor

DIFERENTS MÀQUINES Segle I dC: Heró, per a entreteniment. S. XVII, XVIII: Papin, Savery, Newcomen. Inici a Gran

Bretanya. Usos: vaixells, trens, telers, màquines mineres.

3. Les màquines de vapor

MÀQUINA DE JAMES WATT Millora la de Newcomen. Segura. 1769.

3. Les màquines de vapor

MÀQUINA DE JAMES WATT CALDERA: dipòsit amb aigua escalfada per carbó. DISTRIBUÏDOR: mou el vapor d’aigua cap al cilindre

de forma alternativa. CILINDRE: de doble efecte. BIELA-MANOVELLA: el pistó fa moure la roda agafada a

la manovella. REGULADOR DE WATT: mantenia la velocitat

constant. (Al dibuix)

3. Les màquines de vapor

FUNCIONAMENT Per cada gir de la roda es realitzen dues expansions i

dues compressions en el cilindre. De forma continuada, s’introdueix vapor a alta

temperatura dins del cilindre i s’expulsa pel tub d’escapament.

El vapor expulsat es refreda al condensador on es transforma en aigua i entra a la caldera on es torna a convertir en vapor d’aigua.

4.Combustió interna alternativa Combustió dins de la màquina. Combustibles: gasolina, gasoil. Usos: automòbils, motocicletes, tractors, camions,

vaixells, ... Encesa: per guspira o per compressió. Temps: quatre o dos.

4.Combustió interna alternativa4.1. Guspira quatre temps Inventats l’any 1876 per Otto (cicle d’Otto). Utilitzen gasolina, antigament gas o alcohols. Una biela-manovella transforma el moviment rectilini

alternatiu del pistó en un moviment de rotació. Els motors poden tenir 4 cilindres o més; en línia o en

forma de V

4.Combustió interna alternativa4.1. Guspira quatre temps PRIMER TEMPS / ADMISSIÓ:

La mescla de gasolina i aire entra al cilindre quan s’obre la vàlvula d’admissió.

La mescla s’introdueix utilitzant la injecció electrònica.

El pistó baixa arribant al punt mort inferior (PMI) i facilita l’entrada de la mescla.

4.Combustió interna alternativa4.1. Guspira quatre temps SEGON TEMPS / COMPRESSIÓ:

El pistó comença a pujar. A l’estar les dues vàlvules tancades, la mescla es

comprimeix a l’interior en la cambra de combustió. El pistó arriba al punt mort superior (PMS).

4.Combustió interna alternativa4.1. Guspira quatre temps TERCER TEMPS / EXPLOSIÓ:

La bugia amb una guspira fa explotar la mescla. El pistó surt propulsat cap avall fins al PMI. És l’únic temps del cicle que fa moure el pistó i,

per tant, el cigonyal i les rodes.

4.Combustió interna alternativa4.1. Guspira quatre temps QUART TEMPS / ESCAPAMENT:

S’obre la vàlvula d’escapament i s’expulsen els gasos resultants de l’explosió.

El pistó puja fins al PMS tot expulsant els gasos a l’exterior.

El cicle es repeteix de forma continuada en tots els cilindres.

4.Combustió interna alternativa4.2. Motor de dos temps Variant del cicle d’Otto. Combustible: mescla de gasolina amb oli. Usos: ciclomotors, motoserres i maquinària portàtil. Més barats, lleugers i senzills que els de 4 temps. Més contaminants i amb menys rendiment que els de 4

temps. Enlloc de vàlvules s’utilitzen unes obertures

anomenades espiralls per on entra la mescla (l’espirall d’admissió) i surten els gasos (espirall d’escapament).

4.Combustió interna alternativa4.2. Motor de dos temps PRIMER TEMPS / Admissió i Compressió:

L’admissió i la compressió s’efectuen al mateix temps.

Quan el pistó puja, obre l’espirall d’admissió, des de l’injector o el carburador arriba la mescla (aire, gasolina i oli).

La mescla cau en el càrter lubrificant el cigonyal. A la part superior el pistó acaba de pujar, provocant

la compressió.

4.Combustió interna alternativa4.2. Motor de dos temps SEGON TEMPS / Explosió i Escapament:

Aquestes dues fases també van conjuntament. Quan el pistó arriba al PMS, es produeix l’explosió per mitjà

de la bugia. El pistó baixa de forma que la mescla que havia entrat

abans entra al cilindre a través de l’espirall de càrrega. Els gasos cremats de l’explosió surten per l’espirall

d’escapament, el qual ha estat obert pel descens del pistó. Un cop el pistó arriba al PMI comença de nou el cicle.

4.Combustió interna alternativa4.3. Compressió de 4 temps Inventats per Dièsel l’any 1892. Utilitza gasoil, abans olis. No es necessita cap bugia. La mateixa compressió

encén la mescla..

4.Combustió interna alternativa4.3. Compressió de 4 temps PRIMER TEMPS / Admissió:

Igual com en el motor de gasolina, el pistó es mou cap a baix.

Enlloc de mescla, aspira aire a través de la vàlvula d’admissió.

4.Combustió interna alternativa4.3. Compressió de 4 temps SEGON TEMPS / Compressió:

Com en el motor de gasolina, però s’aconsegueixen altes temperatures sense necessitat de la bugia.

El pistó es mou cap a dalt comprimint l’aire. Quan arriba el pistó a l’extrem superior (PMS),

s’introdueix el gasoil al cilindre mitjançant un injector i una bomba.

4.Combustió interna alternativa4.3. Compressió de 4 temps TERCER TEMPS / Combustió:

Un cop s’acaba d’injectar el gasoil explota la mescla i fa que el pistó baixi, al mateix temps que giren la biela i el cigonyal.

Aquí l’energia tèrmica es converteix en energia mecànica.

4.Combustió interna alternativa4.3. Compressió de 4 temps QUART TEMPS / Escapament:

Tal com en el motor de gasolina, el pistó puja fent sortir els gasos cremats per la vàlvula d’escapament.

Aquestes quatre fases es repeteixen de forma cíclica mentre funciona el motor.

4.Combustió interna alternativa4.4. Comparació dièsel/gasolina Motor dièsel - inconvenients:

Més pesat i més complex, preu superior al de gasolina. Més sorollós (cada vegada menys) i més lent de resposta. Fins no fa poc s’utilitzava poc en cotxes, en canvi era

ideal per a camions, tractors, vaixells, trens. Actualment han millorat molt.

Motor dièsel - avantatges: Estalvia més en el consum, consumeix menys i utilitza

gasoil, que és més barat que la gasolina. Funciona amb menys revolucions, per tant, té un desgast

menor i pot durar més anys. Tenint en compte el combustible consumit i la potència

obtinguda, el motors dièsel tenen un rendiment molt superior .

5. Les turbines

Són màquines rotatives Tipus:

De combustió externa / de vapor: generadors a les centrals tèrmiques i nuclears i en alguns vaixells enormes.

De combustió interna / de gas de cicle obert: en motors a reacció d’avions i per a generar electricitat.

5. Les turbines5.1. De gas de cicle obert Les turbines aspiren l’aire directament de l’atmosfera. Els àleps giren a gran velocitat. Comprimeixen l’aire en una cambra on s’injecta el gas o el

combustible (querosè en els avions). Es produeix la combustió i això fa que els gasos s’expulsin i

facin girar la turbina. Existeixen les quatres fases de forma similar a un motor

d’explosió: admissió, compressió, expansió i escapament

5. Les turbines5.2. De vapor Per a fer moure les turbines s’utilitza una caldera. La caldera és gran i no es pot moure. Les turbines es troben en centrals i vaixells. El vapor de la caldera es condueix cap a uns àleps

situats en una roda fent que giri. Es tracta d’una turbina d’acció.

També s’utilitzen les turbines d’acció i reacció. Hi ha uns rodets mòbils (acció) i uns altres que dirigeixen el vapor (reacció). Els rodets disminueixen el diàmetre des de l’entrada cap a la sortida.

El gas un cop surt de la turbina es retorna a la caldera per a poder-lo re aprofitar.

5. Les turbines5.2. De vapor

6. El motor Wankel Motor de combustió interna rotatiu. Dissenyat per Wankel el 1924. Gasolina. Amb un gir del rotor s’efectuen tres admissions, tres

compressions, tres explosions i tres escapaments. Per una volta del rotor Wankel es fan tres cicles del motor Otto.

El rotor és un triangle ovalat que gira per la part interna de la carcassa i seria comparable al pistó dels motors Otto.

Avantatges: no produeix vibracions i té tres explosions en una sola rotació.

Inconvenients: té problemes d’estanqueïtat, de refrigeració i lubrificació i això fa que tinguin una vida curta.

6. El motor Wankel Admissió (part superior), compressió (dreta), explosió

(inferior), escapament (esquerra).

7. Sistemes auxiliars dels motors d’explosió

Alimentació: Dispositiu que subministra la mescla d’aire i

combustible al motor. Es fa amb la injecció electrònica, mètode actual i que aconsegueix una injecció més precisa de combustible.

Refrigeració: Es refreda el motor d’altes temperatures provocades

en l’explosió. En el radiador es fa passar un líquid refrigerant que aconsegueix baixar la temperatura del motor.

7. Sistemes auxiliars dels motors d’explosió

Sistema d’encesa: Està format pel circuit elèctric que subministra la

guspira a la bugia. Motor d’arrencada :

És el motor elèctric que arrossega el motor en el moment d’engegar-lo.

7. Sistemes auxiliars dels motors d’explosió

Lubrificació : L’oli lubrificant augmenta el rendiment del motor,

redueix el desgast i dissipa la calor. El lubrificant és l’oli encarregat de disminuir el

fregament, el càrter és el recipient on es fica l’oli i es lubrifiquen les peces i la bomba és l’element que impulsa l’oli.

En els motors de dos temps, l’oli està incorporat amb la mescla.

8. Característiques dels motors d’explosió Nombres de cilindres (nc):

1, 2, 4, 5, 8 o 12 cilindres. El més usual són 4 cilindres per als cotxes i 1 o 2 per a les motos.

Cilindrada (Vc): La suma dels volums de tots els cilindres. P.ex. moto

de 125 cc.

8. Característiques dels motors d’explosió Relació de compressió (r):

És la relació entre el volum màxim i el mínim dins el cilindre.

En motors Otto: 10 a 1 (10 cops el Vmàx respecte el Vmín). En dièsel: 20 a 1.

La potència i el parell motor: És una dada que donen els fabricants. P.ex. una potència de

100kW a 6000 rpm i un parell de 200 Nm a 3000 rpm. Consum :

Litres de combustible consumits. Es sol donar en litres per cada 100 km. P.ex., 6 litres per 100

km.

9. Els combustibles

Gasolines: Sense plom 95 i sense plom 98: els números 95 i

98 es refereixen a l’índex d’octà i indiquen el seu poder antidetonant. Com més alt és el número, més difícil és que la gasolina detoni abans d’encendre la mescla.

Gasoils: Més densos i menys volàtils que les gasolines.

Biocombustibles: Biodièsels: deriven d’olis vegetals com els de

cuinar. Bioalcohols: a partir de plantes amb sucres com la

colza o la canya de sucre.

9. Els combustibles9.1. Emissions contaminants Gasolines:

Emeten a l’atmosfera sobretot hidrocarburs (HC), diòxid de carboni (CO2), monòxid de carboni (CO), i òxids de nitrogen (NOx).

Gasoils: Sobretot òxids de nitrogen (NOx), òxids de sofre (SOx) i

diòxid de carboni (CO2). Biocombustibles: emeten menys partícules tòxiques a

l’atmosfera. Querosè: els avions emeten partícules altament

contaminants.

NORMATIVA: limita l’emissió de CO2 en g/km. CATALITZADOR: obligatori en alguns vehicles. Filtra i

diposita les partícules dels gasos d’escapament.

10. Impacte ambiental Efecte hivernacle:

Alguns gasos de l’atmosfera (CO2, H2O i 30 més) retenen l’escalfor del Sol i eviten que una part retorni a l’espai.

Aquesta situació d’equilibri està en perill a causa de la contaminació de l’atmosfera, els gasos retenen massa calor.

L’augment mundial de temperatures està provocant un canvi climàtic, un desplaçament de les espècies, la major virulència del clima i el desgel dels pols.

L’efecte hivernacle és degut a la crema de combustibles fòssils com el petroli i a la desforestació de selves.

10. Impacte ambiental Pluja àcida:

Els combustibles que cremem sobretot a les fàbriques i a les centrals tèrmiques emeten uns gasos que contenen SO2 i NO2. 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, destrueix la vida als estanys, llacs i rius i mata als arbres i afecta els edificis.

La pluja àcida es desplaça de la zona on es forma a altres àrees.

10. Impacte ambiental Forat de la capa d’ozó:

És un efecte de la contaminació atmosfèrica que consisteix a una disminució d’ozó a l’estratosfera (capa alta de l’atmosfera) a causa de l'emissió a l’aire per part de l’home de substàncies que minven l'ozó.

Per aquest motiu es van prohibir els CFCs que utilitzaven anteriorment les neveres.

10. Impacte ambiental Smog i càncers:

Diferents malalties de les ciutats com els càncers tenen una part d’origen en l’expulsió de partícules tòxiques com el plom o el monòxid de carboni degudes a les emissions de fàbriques i vehicles.

La boira contaminant degut a aquestes emissions es coneix com a smog.

10. Impacte ambiental Biocombustibles i esgotament dels recursos:

L’ús de combustibles fòssils com el petroli, el gas natural o el carbó pot portar al seu esgotament definitiu.

L’ús de biocombustibles per als vehicles és insostenible. P.ex. Tots els vehicles de França necessitarien una superfície plantada de biocombustibles equivalent a 2 vegades el total del país.

L’ús massiu de biocombustibles fa pujar els preus del menjar.

10. Impacte ambiental Responsabilitat social : Mesures en la línia de reduir i estalviar com utilitzar

el transport públic, v compartir el transport privat o comprar vehicles més eficients van en la bona mesura.

També es pot fixar més CO2 evitant la desforestació dels boscos i reforestant zones que s’havien perdut com a tals.

Actualment, s’està avançant en automòbils elèctrics i amb piles de combustibles a partir de l’hidrogen (H). Encara que també tenen inconvenients.