TEMA 5. MÀQUINES TÈRMIQUES 1. INTRODUCCIÓ:

Les màquines tèrmiques aprofiten la calor per generar treball (tot i que

mai no podrem obtenir el 100% d’eficàcia).

Quan escalfem un gas a volum fix (dins d’un recipient estanc), la seva

pressió augmentarà considerablement. Podem pensar en aquesta pressió com

una forma d’energia que s’acumula i que podrem aprofitar en el moment en què

alliberem el gas i deixem que s’expandeixi, aquest gas en expansió serà capaç

de fer moure un èmbol a partir del qual obtindrem el moviment de la màquina.

Figura 1: Esquema d’una màquina tèrmica.

Per tant, el motor tèrmic converteix l’energia tèrmica provinent dels

combustibles fòssils en energia mecànica.

Els motors tèrmics els classificarem segons el lloc on es produeix la

combustió, i per això anomenarem

MOTORS TÈRMICS DE COMBUSTIÓ EXTERNA Si la combustió té lloc

fora del motor. Aplicacions : Màquina de vapor i Turbina de vapor.

MOTORS TÈRMICS DE COMBUSTIÓ INTERNA Si la combustió és dins

del motor. Aplicacions: Motors d’explosió (de benzina), Motors de

compressió (Dièsel) , la Turbina de gas o Motor de reacció.

2. MOTORS TÈRMICS DE COMBUSTIÓ EXTERNA Els motors de combustió externa funcionen amb el vapor que es

produeix quan es crema el combustible del fogar d’una caldera per escalfar

l’aigua.

El vapor que es produeix a la caldera, com ocupa un volum molt més

gran que el de l’aigua, s’expandeix i es veu forçat a sortir, però a una gran

pressió, és aquesta pressió la que impulsa l’èmbol i provoca el moviment.

Un cop el vapor ja ha sortit, s’ha de condensar (passar de vapor a aigua)

i això s’aconsegueix disminuint la temperatura en el condensador fent passar

aigua freda per una sèrie de canonades.

2.1 La màquina de vapor:

Figura 2: Esquema d’una màquina de vapor.

2.1.1 Funcionament de la màquina de vapor. (Veure simulació pàg 52 digital text)

•A la caldera és on es produeix l’escalfor mitjançant la crema

combustible.

•La caldera escalfa l’aigua que surt en forma de vapor cap al cilindre on

tenim l’èmbol. •L’èmbol mou el sistema de transformació del moviment corresponent i

produeix el treball requerit.

•El vapor ja utilitzat se’n va cap a un condensador que el refreda i el

torna a convertir en aigua que reciclem i reenviem cap a la caldera.

2.1.2 Elements d’una màquina de vapor (Veure simulació pàgina 53 digital-text)

•Distribuïdor . El distribuïdor és el sistema de vàlvules que està

connectat al gir de la roda, de manera que s’acciona sincronitzadament amb el

moviment de l’èmbol. Permet l’entrada de vapor quan cal empènyer l’èmbol i la

sortida del vapor quan cal que aquest retorni a la posició inicial.

•Regulador de potència . Per regular la quantitat de treball que volem

que la màquina ens proporcioni per unitat de temps, utilitzem aquesta vàlvula

giratòria. (Quan el moviment és massa ràpid, les boles ascendeixen i la vàlvula

fa que l’entrada de vapor sigui menor. Si les boles baixen massa, es torna a

obrir la vàlvula, fet que permet l’entrada de més quantitat de vapor. El punt

d’equilibri es pot regular posant més o menys pes a les boles del regulador).

•Cilindre. El cilindre és la part de la màquina on s’expandeix el vapor

que arriba a pressió procedent de la caldera. El vapor injectat fa moure l’èmbol que s’ajusta a la paret interna del cilindre i es pot desplaçar longitudinalment en

un moviment rectilini alternatiu que, connectat a un sistema de transformació

del moviment, converteix el vaivé generat en una rotació de l’eix de la roda.

FER EXERCICIS 5, 6 7 PÀG 153 I CASA 9 PÀG 153

2.2 Turbina de vapor. La turbina de vapor transforma l’energia potencial tèrmica (que és la

diferència de temperatura que hi ha a l’entrada i a la sortida) en energia cinètica

(moviment).

2.2.1 Funcionament de la turbina de vapor.

El vapor produït en una caldera arriba a la turbina i passa a una corona

d’àleps fixada a l’estator anomenada distribuïdor. Quan el vapor surt del distribuïdor “xoca” sobre uns àleps corbs del rotor

i genera un treball sobre l’eix i el fa girar.

Els àleps del rotor són més grans en la part externa per aprofitar millor la

pressió del vapor, ja que, quan entra a la turbina perd pressió i no fa falta tanta

superfície.

FER EXERCICI 10 PAG 154

3. MOTORS DE COMBUSTIÓ INTERNA Els motors de combustió interna realitzen el treball a partir d’una explosió

que es produeix dins de la mateixa màquina. No els cal utilitzar un element

intermedi com el vapor, ja que són els mateixos gasos produïts per l’explosió

els que se n’encarreguen, gràcies a la pressió que fan sobre el pistó o èmbol.

Segons la manera com es provoca l’explosió, tenim 2 tipus de motors:

-Motors d’encesa per guspira o de cicle Otto. (És el motor de

benzina).

Pot ser de 2T o de 4T, de 4-8 cilindres en línea en V o oposats.

-Motors d’encesa per compressió o de cicle Diesel. (Usa

gasoli com a combustible).

Segons el cicle de funcionament (entrada de la mescla dins la cambra de

combustió, combustió i evacuació dels gasos cremats), tenim 2 tipus:

-Motors de 2 temps (2T) (L’èmbol només realitza una anada i

tornada per cada cicle del motor).

Pot ser de 2T o de 4T, de 4-8 cilindres en línea en V o oposats.

-Motors de 4 temps (4T) (L’èmbol realitza dues anades i tornada

per cada cicle complet del motor).

Segons el nombre de cilindres que disposa tenim diferents tipus:

1-4 Cilindres (en les motos).

4-8 Cilindres (en els cotxes).

+ de 8 Cilindres (en alguns avions).

Segons la col·locació dels cilindres, poden ser:

En línia En V Horitzontals oposats o Boxer

3.1. Motors d’explosió (Gasolina) o de cicle Otto.

Per a veure un vídeo amb l’explicació del cicle d’Otto fes click aquí y per

veure’n un altre aquí i visualitza el vídeo 4 d’aquest lloc.

3.1.1 Cilindrada i carrera La carrera és el recorregut que fa el pistó entre el PMS (punt mort

superior) i el PMI (Punt mort inferior).

La cilindrada és el volum útil total del/s cilindre/s i està directament

relacionada amb la potència. Com més cilindrada, més potència.

Per calcular la cilindrada d’un motor ens haurem de fixar en el volum del

cilindre útil, és a dir, l’espai dins del qual es produeix l’explosió.

Per calcular el volum d’un cilindre necessitem conèixer la llargada útil,

anomenada carrera (L) i el diàmetre del cilindre (D)

La cilindrada està determinada pel volum de del cilindre i nombre de

cilindres. Segons la fórmula següent:

nVC ·= On

• 4

·· 2 LDV π= (cm3)=Volum

• n=nombre de cilindres

O directament:

nLrC ··· 2π=

C=Cilindrada en cm3

r=Radi del cilindre (cm).

L=Cursa (cm).

n=Nombre de cilindres

FER EXERCICI 23 PAG 157

3.1.2 Parts d’un motor d’explosió L’estructura del motor consta bàsicament de 3 parts fonamentals:

a) Culata

b) Bloc

c) Càrter.

a) CULATA

La culata (fig.3) és una peça de ferro fos ( o d’alumini en alguns motors)

amb la que es tanca la càmera de combustió perquè es puguin iniciar les

explosions que hi ha dins dels cilindres sense pèrdues.

A la part superior tenim:

Les vàlvules que permeten regular l’entrada de l’aire o de la

mescla i la sortida dels gasos cremats. Hi ha 2 vàlvules per cilindre, la

d’admissió i la d’escapament.

Els mecanismes que fan possible el funcionament:

L’arbre de lleves (fig.4), els balancins (fig.5)

A la part inferior de la culata hi ha unes petites concavitats que formen la

cambra de combustió, on cremen el combustible i l’aire que entra.

A la part lateral estan els tubs anomenats col·lectors d’admissió i

escapament, que permeten l’entrada de l’aire o de la mescla i la sortida dels

gasos

La culata està fermament unida al bloc del motor mitjançant cargols. Per

a garantir un tancament hermètic es col·loca entre les dos una làmina de

material flexible que siga capaç de suportar les altes temperatures, (la junta de

la culata)

b) BLOC

El bloc (fig.6) és la peça més voluminosa del motor, necessita tenir una gran

resistència a la deformació per temperatures elevades, al desgast i a la

corrosió. Per això es fabrica amb alumini, ferro colat aliat etc.

En el bloc estan ubicats els cilindres.

c) CÀRTER

El càrter és el dipòsit de l’oli lubricant, és també la tapa inferior del motor, dins

de la qual es mou el cigonyal.

3.1.3 El funcionament del motor d’explosió de quatre temps d’Otto. El funcionament teòric d’aquest motor, durant les seves quatre fases, és

el següent:

Temps d’admissió. Durant aquest temps el pistó es desplaça des del

punt mort superior (PMS) al punt mort inferior (PMI) i efectua la primera cursa o

desplaçament lineal. Durant aquest desplaçament el cigonyal realitza un gir de

180º. Quan es realitza aquest recorregut de l’èmbol, la vàlvula d’admissió

queda oberta i, degut a la depressió o buit intern que crea el pistó en el seu

desplaçament, s’aspira la mescla aire-combustible, que passa a través de

l’espai lliure que deixa la vàlvula d’aspiració per a omplir la totalitat del cilindre,

amb una certa inèrcia. Quan el pistó arriba al PMI, la mescla entrant, per

inèrcia, té encara una certa velocitat, per la qual cosa es tanca la vàlvula una

mica després del PMI, de manera que assegura un bon emplenament del

cilindre.

Temps de compressió. En aquest temps el pistó efectua la segona

cursa i es desplaça des del PMI fins al PMS. Durant aquest recorregut el

cigonyal efectua un altre gir de 180º, completant la primera volta del cigonyal.

Durant aquest desplaçament les vàlvules romanen tancades i el pistó

comprimeix la mescla, la qual queda allotjada en l’espai corresponent a la

cambra de combustió situada per sobre del PMS.

Temps d’explosió. Quan el pistó arriba al final de la compressió, es

produeix, per mitjà de la bugia, una guspira elèctrica a l’interior de la cambra de

combustió per provocar la ignició i la combustió de la mescla. La guspira es

produeix una mica abans d’arribar al PMS. La combustió de la mescla gasosa

no és instantània. Un front de flama avança des de la bugia fins al cap del pistó.

Llavors, per donar temps a la propagació de la flama i, per tant, que la

combustió sigui completa, cal començar la ignició de la mescla una mica abans

del PMS. Durant aquest procés s’allibera l’energia calorífica del combustible,

cosa que origina una elevada temperatura a l’interior del cilindre. Amb

l'increment de temperatura, l’energia cinètica de les molècules augmenta

considerablement i, al topar aquestes contra les parets de la cambra i el cap del

pistó, generen la força d’empeny que fa que el pistó es desplaci. Aquesta força

produeix el desplaçament del pistó, que realitza la tercera cursa des del PMS al

PMI, i fa girar 180º de nou l’extrem del cigonyal. Durant aquesta cursa,

anomenada cursa motriu per ser l'única que realitza treball, es realitza la

transformació d’energia. La pressió baixa ràpidament per efecte de l’augment

de volum i disminueix la temperatura interna en l’expansió, perquè part de la

calor generada es dissipa a través de les parets del cilindre i les cambres de

refrigeració.

Temps d’escapament. En aquest temps el pistó realitza la quarta cursa o

desplaçament des del PMI al PMS, mentre l’extrem del cigonyal, amb el gir de

180º, completa les dues voltes de l’arbre motriu. Durant aquest recorregut del

pistó, la vàlvula d’escapament roman oberta. La vàlvula d’escapament s’obre

una mica abans de que el pistó hagi arribat al PMI. S’obre una mica abans per

tal que, quan comenci el moviment ascendent del pistó per impulsar els gasos

cap a l’exterior, es trobi totalment oberta, i així no ofereixi resistència a la seva

sortida. A través d'ella, per diferència de pressió, els gasos cremats procedents

de la combustió surten a l’atmosfera; la resta de gasos són escombrats pel

pistó en el seu desplaçament. A partir del moment en què el pistó arriba al

PMS, la vàlvula d’escapament es tanca, i el cicle torna a començar.

3.1.4 El motor de 2T a) El motor d’explosió de dos temps El motor d’explosió de dos temps té unes característiques generals

comunes al de quatre temps. Funciona amb un cicle de treball realitzat en dos

temps, durant els quals el seu èmbol efectua dos desplaçaments alternatius o

curses que corresponen a una volta o gir de 360º en el cigonyal. La

característica principal d’aquest motor és que no porten vàlvules que regulin la

entrada y sortida de gasos; és el pistó qui realitza aquestes operacions amb el

seu desplaçament, a través d’uns espiralls situats en la part baixa del cilindre i

pròximes al PMI. En aquest motor, l’admissió es realitza en el càrter on són

sotmesos a una precompressió, passant després a l’interior del cilindre per un

conducte de càrrega que es comunica amb el càrter.

Comparant-lo amb un motor de quatre temps, podríem dir que

teòricament hauria de tenir una potència doble que la d’un motor de quatre

temps de les mateixes característiques, ja que cada volta del cigonyal es

produeix un cicle de treball productiu, i no cada dues voltes, com passa en el

motor de quatre temps. Encara que, no és exactament així, perquè els gasos

de l’admissió entren dins del cilindre al mateix temps que surten els de

l’explosió, la qual cosa provoca que sempre es barregin poc o molt, i que per

inèrcia se n’escapin alguns de l’admissió barrejats amb els d’escapament.

Funcionant a ralentí, la sortida de gasos cremats és lenta. A gran velocitat, en

canvi, la sortida de gasos és molt ràpida, arrossegant darrere d'ell part dels

gasos frescos durant l'emplenada del cilindre. Aquesta deficiència en el

rendiment es produeix perquè els espiralls d’admissió i escapament sempre

estan oberts, cosa que no passa en el motor de quatre temps, on enlloc

d’espiralls hi ha vàlvules.

Un avantatge d’aquests motors és que tenen una senzillesa constructiva

que suposa no dur vàlvules ni elements de distribució. Per la mateixa raó, no

cal que la culata sigui desmuntable, per tant el conjunt bloc-culata es pot

fabricar en una sola peça, aconseguint un motor compacte y lleuger. Són

motors econòmics i molt indicats per accionar màquines de poca potència,

especialment en motocicletes.

3.1.4 b) El funcionament del motor de dos temps, és el següent:

Primer temps. Durant la cursa ascendent, l’èmbol expulsa la resta de

gasos residuals fins al tancament dels espiralls de càrrega y escapament.

L’espirall d’admissió queda oberta i el gasos frescos entren des del carburador

a l’interior del càrter, això passa per la depressió que crea el pistó al pujar.

Durant el desplaçament ascendent de l’èmbol, es realitza la compressió de la

mescla a l’interior del cilindre, mentre continua l’admissió a l’interior del càrter.

Durant aquest temps l’extrem del cigonyal ha efectuat un gir de 180º i es

realitzen les següents fases: Escombrat de gasos residuals, compressió de la

mescla i admissió o emplenada del càrter.

Segon temps. Quan l’èmbol es troba en el PMS, al final de la

compressió, salta la guspira elèctrica. En aquest moment es produeix

d’inflamació i la combustió de la mescla, això provoca que s’elevi la pressió i la

temperatura a l’interior del cilindre, cosa que provoca una força que empeny al

pistó produint-se l’expansió o cursa de treball. Durant el descens del pistó, es

tanca l’espirall d’admissió i es comprimeix la mescla aire-combustible de

l’interior del càrter (precompressió). Una mica abans d’arribar al PMI, el pistó,

obre les espiralls de càrrega i escapament, a través de les quals es produeix el

buidament del gasos cremats i s’omple el cilindre amb els gasos procedents del

càrter, els quals provenen del conducte de càrrega, que comunica el càrter amb

el cilindre. La mescla aire-combustible, a causa de la pressió a que es troben

sotmesos a l’interior del càrter i a la seva velocitat d’entrada, arrossega els

gasos cremats fins a l’exterior. En aquest segon temps l’extrem del cigonyal ha

efectuat un altre gir de 180º completant així una volta de l’arbre motriu i

realitzant les següents fases de funcionament: Explosió i expansió,

precompressió de la mescla en el càrter, escapament i emplenament o carrega

del cilindre.

FIGURES I FOTOS

Figura 3 Foto d’una Culata d’un motor. Figura 4. arbre de lleves

Figura 5 balancins Figura 6 Esquema d’un bloc d’un motor

Figura 7. Foto Cigonyal Figura 8 Foto Càrter

Figura 9 Descomposició d’un motor

Figura 10: Situació d’un motor en un cotxe

3.2 Motor Dièsel. Els motors dièsel tenen un funcionament molt paregut al motor de

benzina, les fases són quasi les mateixes amb les salvetats que en la fase

d’admissió entra al cilindre solament aire i el carburant s’injecta directament al

cilindre, no necessita bugia per a fer la combustió, sinó que degut a la

compressió explota espontàniament.

S’ha de tenir molta cura del manteniment, perquè la bomba del

combustible és molt delicada i molt cara.

3.3 Turbina de gas

La turbina de gas és un motor tèrmic rotatiu que aprofita l’expansió dels

gasos resultants de l’explosió per fer girar l’eix directament, no com els motors

d’explosió on es produeix un moviment rectilini alternatiu que passa als pistons

i que el mecanisme biela manovella converteix en circular, millorant així el

rendiment del motor, (38%).

La turbina de gas consta de 2 parts:

Compressor

Turbina.

Compressor:

El compressor com el seu nom diu, comprimeix l'aire que es condueix

cap a la cambra de combustió. Aquest gira amb el mateix eix de la màquina.

Turbina:

La turbina de gas pot fer servir com a combustible el gas o derivats del

petroli.

Una varietat molt important de turbina de gas és el turboreactor, aquest

no produeix treball fent girar un eix, sinó mitjançant un impuls per reacció.

El turboreactor és el motor que fan servir els avions de reacció amb el

següent funcionament:

Quan l'aire entra per la part de davant del motor, es comprimeix

pel compressor de manera que quan entra a la cambra de combustió permet

encendre el combustible i generar una elevada energia en forma de pressió.

Aquests gasos són expulsats per la part posterior del motor (tovera) i és

aleshores quan l'avió és impulsat cap endavant degut a la reacció.

FER EXERCICI 20 PÀG 156: Comenta les semblances i les diferències

que hi ha entre una turbina de gas i un motor d'explosió.

Si vols saber més sobre el motor de gasolina:

http://www.asifunciona.com/mecanica/af_motor_gasolina/af_motor_gasolina_5.

htm