unitat 2 màquines tèrmiques

88
06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 1

Upload: davidsanz50

Post on 29-Jun-2015

1.016 views

Category:

Technology


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 1

Page 2: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 2

• Recordem que el 1r principi de la TD deia que: “en qualsevol procés

l’energia es conserva”

W ΔU Q Sistema

Q-

Q+

W+

W-

• Pel que fa al 2n principi de la TD:

Page 3: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 3

• Enunciem ara el 2n principi de la TD (seguint diversos criteris):

“El calor flueix sempre d’un cos calent a un altre de fred

espontàniament, però no a l’inrevés; per fer-ho cal efectuar un treball a

través de determinats dispositius”

“El treball es pot convertir directament i íntegra en calor, però per

convertir calor en treball calen dispositius, que, a més, no ho faran mai

íntegrament”

“Aquests dispositiu capaços d’extreure el calor d’un cos fred i cedir-lo a

un de calent (màquines tèrmiques consumidores d’energia mecànica) o

de convertir el calor en una certa quantitat de treball (màquines

tèrmiques generadores d’energia mecànica) són precisament les

MÀQUINES TERMIQUES”

Page 4: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 4

Màquines

tèrmiques

generadores

d’energia mecànica

consumidores

d’energia mecànica

de combustió

externa

de combustió

interna alternativa

de combustió

interna rotativa

• Màquines frigorífiques

• Bombes de calor

• Instal·lacions de vapor

• Turbines de vapor

• D’encesa per guspira

• D’encesa per compressió

• Motor Wankel

• Turbines de gas de

cicle obert

Page 5: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

QQW ch

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 5

EFICIÈNCIA TÈRMICA O RENDIMENT

WWW Cs

• Ja que considerem la màquina

com un sistema aïllat, per tant

no existeix ΔU.

• Totes les màquines tèrmiques tenen associat un rendiment o eficiència

tèrmica, ja que no són capaces de transmetre de forma íntegra la calor

en treball.

• Per a una màquina de vapor:

Page 6: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

ht Q

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 6

EFICIÈNCIA TÈRMICA O RENDIMENT

On: W treball net de sortida

Qh calor subministrada per la font calenta

Qc calor cedida a la font freda

h

cht Q

QQη

h

ct Q

Q1η

Page 7: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 7

LA MÀQUINA DE CARNOT

• A principis del segle XIX, l’enginyer Sadi Carnot va formular la següent

hipòtesi en relació a l’eficiència de les màquines tèrmiques:

“Cap màquina tèrmica que funcioni entre dues fonts tèrmiques

determinades pot tenir una eficiència superior a la d’una màquina

tèrmica reversible (IDEAL) que funcioni entre les mateixes fonts”

• Llavors una màquina tèrmica reversible és aquella que funciona

cíclicament de manera que quan evoluciona d’un estat a un altre pot

efectuar el camí invers sense pèrdues d’energia.

Ex: màquina reversible no tèrmica seria un pèndol sense cap

fricció amb l’aire.

• La reversibilitat és impossible, ja que suposa la no existència de

forces passives de cap tipus, però és necessària la seva suposició per

a l’estudi posterior de les màquines reals.

Page 8: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

1

2h-21h V

VlnTRnWQ

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 8

LA MÀQUINA DE CARNOT

• Imaginem una màquina tèrmica reversible que funcioni cíclicament a

partir d’un gas ideal:

• 12: Expansió isoterma a Th

(CALDERA)

No existeix ΔU la calor

absorbida (Qh) és converteix

íntegrament en treball.

• 23: Expansió adiabàtica

(TURBINA)

Baixa la Tª de Th a Tc

Page 9: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

4

3c3-4c V

VlnTRnWQ

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 9

LA MÀQUINA DE CARNOT

• 34: Compressió isoterma a Tc

(CONDENSADOR)

No existeix ΔU, per tant la calor cedida (Qc) és equivalent al treball fetsobre el gas.

• 41: Compressió adiabàtica

(BOMBA)

Puja la Tª de Tc a Th

Page 10: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

h

cc T

T1η

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 10

LA MÀQUINA DE CARNOT

• El rendiment o eficiència tèrmica de Carnot (ηc) és:

• Aquesta és la màxima eficiència que una màquina tèrmica pot tenir, de la

qual es dedueix que: “com més gran sigui la diferència de temperatures

entre la font calenta i la freda millor serà el rendiment de la màquina”.

• La eficiència de Carnot seria màxima (100%) si es pogués treballar amb

Tc= 0 K (-273 ºC), però això és actualment impossible.

Per tant la millora dels rendiments d’aquestes màquines passa per

treballar amb una Th el més alta possible, la qual cosa queda limitada

per la resistència dels materials a les elevades temperatures.

Page 11: Unitat 2 màquines tèrmiques

• Per tant, podem concloure que:

Si ηt < ηc es tracta d’una màquina irreversible, però real

Si ηt = ηc es tracta d’una màquina reversible, per tant

impossible

Si ηt > ηc es tracta d’una màquina totalment impossible

• A partir d’aquí podem establir l’eficiència tèrmica d’una màquina segons

el segon principi de la termodinàmica (ηs)

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

c

ts η

ηη

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 11

LA MÀQUINA DE CARNOT

Page 12: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 12

LA MÀQUINA DE CARNOT

• A continuació podem veure un exemple resolt d’aplicació d’eficiències:

Page 13: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 13

L’ENTROPIA (S)

• Si considerem una quantitat de calor |Q| que

passa o evoluciona espontàniament d’un

sistema a un altre de menys temperatura, i

utilitzem la temperatura com un factor per

mesurar la calor |Q| que evoluciona, podem

dir que a mesura que la temperatura

disminueix alguna cosa augmenta per tal que

es conservi l’energia:

... TTT on ...ΔSTΔSTΔSTQ 321332211

i

i

T

QS [J/K o cal/K]

Page 14: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 14

L’ENTROPIA (S)

• El concepte ΔS és anomenat flux d’entropia i va augmentant a mesura

que la calor passa d’un sistema a un altre de més baixa Tª.

• Si un sistema és adiabàtic el flux o variació d’entropia és nul·la, ja que no

hi bescanvi de calor. Sistema adiabàtic = sistema isoentròpic.

• L’entropia total de l’univers mai pot disminuir, ja que en els processos

irreversibles augmenta i en els processos reversibles es manté constant.

Page 15: Unitat 2 màquines tèrmiques

• Per representar els cicles en les

màquines tèrmiques, apart dels

diagrames PV, també usem gràfics TS.

• En aquests gràfics les expansions i

compressions isotermes resulten ser

línies horitzontals, i les expansions o

compressions adiabàtiques verticals.

• L’àrea ombrejada en el diagrama TS

representa el treball realitzat o la calor

bescanviada en el cicle:

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

ch-43c-21h QQΔSTΔSTW

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 15

L’ENTROPIA (S) Diagrames TS

Page 16: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES I 2n PRINCIPI DE LA TD

h

h-21 T

QS

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 16

0ΔS ΔSΔS total-43-21

L’ENTROPIA (S) Diagrames TS

• En una màquina de Carnot o màquina tèrmica reversible, la variació total

d’entropia és nul·la.

• Com que la mateixa que es perd per un costat és la que es guanya per

l’altre, ja que no hi ha irreversibilitats, llavors podem escriure, respecte

de l’univers:

c

c-43 T

QS

• Si el sistema és irreversible, llavors la variació total d’entropia i el treball

perdut en les irreversibilitats valen respectivament:

chtotal SSS totalcp ΔSTW

Page 17: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 17

• Són aquelles màquines caracteritzades per:

Reben calor d’una font d’alta Tª (Qh) (solar, combustible,...).

Transformen en treball una certa quantitat de la calor rebuda

extern (W) (normalment en eix de rotació).

Alliberen una certa quantitat de calor a una font de baixa Tª

(Qc) (a l’aire, un riu, mar,...).

Operen de forma cíclica.

generadores

d’energia mecànica

de combustió

externa

de combustió

interna alternativa

de combustió

interna rotativa

• Instal·lacions de vapor

• Turbines de vapor

• D’encesa per guspira

• D’encesa per compressió

• Motor Wankel

• Turbines de gas de

cicle obert

Page 18: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 18

• Pertanyen a aquest grup la majoria de les màquines de vapor.

• S’hi genera calor en una font d’alta Tª a l’exterior de la màquina, que es

transfereix a un circuit tancat d’aigua per tal de vaporitzar-la i extreure’n

energia mecànica a partir de l’energia del vapor a alta P i T.

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

• Els elements principals d’una instal·lació de vapor són:

La caldera o generador de vapor.

Sobreescalfadors.

Turbines.

Reescalfadors.

Economitzador.

Condensador.

Torre de refrigeració.

Xemeneia.

Instal·lacions de vapor

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 19: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 19

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 20: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 20

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

• Actualment, en la producció de treball a partir de treball no s’utilitzen els

mecanismes de biela-maneta, sinó que la transformació de l’energia del

vapor en energia mecànica es du a terme mitjançant turbines, les quals

accionen alternadors, en el cas de les centrals tèrmiques, o hèlix en el

cas de grans vaixells.

• Existeixen bàsicament dos tipus de turbines:

Turbines d’acció

Turbines de reacció

Turbines de vapor

• A les instal·lacions d’alta potència, no es transforma totalment l’energia

cinètica en una sola turbina, ja que degut a l’excessiu salt adiabàtic,

s’originarien unes velocitats excessives. Per aquesta raó l’expansió del

vapor se sol fer esglaonadament en tres etapes (els tres cossos de la

turbina).

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 21: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 21

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

Turbines de vapor

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 22: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 22

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

Si seguim el CICLE TEÒRIC les quatre

etapes del cicle són les mateixes que hem

vist en els apartats anteriors.

Cicles termodinàmics

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 23: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 23

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA Cicles termodinàmics

A la sortida de la caldera i abans d’arribar a la turbina, el vapor passa

pel sobreescalfador, on la seva T i P augmenten per damunt de les que

tenia a la sortida de la caldera, amb la qual cosa s’augmenta també la

seva efectivitat a la turbina.

Si seguim el CICLE REAL existeixen algunes variacions respecte del cicle

TEÒRIC/IDEAL:

A la sortida del condensador

normalment el vapor no ha

estat condensat totalment, per

la qual cosa resulta impossible

bombejar-lo a la caldera.

Caldrà continuar extraient més

calor per tal de tenir aigua

líquida i poder-la bombejar.

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 24: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 24

MÀQUINES DE COMBUSTIÓ INTERNA ALTERNATIVES

• 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.

• S’anomenen màquines alternatives perquè utilitzen un sistema de biela-

maneta per convertir el moviment alternatiu de vaivé de l’èmbol en

moviment rotatiu.

• Existeixen dos tipus de màquines de combustió interna alternatives:

D’encesa per guspira Gasolina CICLE OTTO

D’encesa per compressió Gasoil CICLE DIESEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 25: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 25

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 26: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 26

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

• La màquina d’aquestes característiques més emprada és el motor de

quatre temps (4T) que segueix un cicle Otto.

• Utilitzen la gasolina com a combustible.

• Transformen l’energia tèrmica impulsant el pistó que transforma el seu

moviment alternatiu en circular a través d’un mecanisme de biela-

maneta.

• Els quatre temps d’un motor de gasolina són:

Temps d’ADMISSIÓ

Temps de COMPRESSIÓ

Temps d’EXPLOSIÓ

Temps d’ESCAPAMENT

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 27: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 27

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

1

ADMISSIÓ

2

COMPRESSIÓ

3

EXPLOSIÓ

4

ESCAPAMENT

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 28: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 28

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 29: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 29

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 30: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 30

• Arbre lleves de 4 cilindres en línia:

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 31: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 31

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 32: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 32

• 4 cilindres en línia:

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 33: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 33

• 4 cilindres en V:

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 34: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 34

• 4 cilindres oposats:

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 35: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 35

• Injectors de gasolina:

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 36: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 36

Si seguim el CICLE

TEÒRIC podem veure les

quatre etapes del cicle

productiu d’un motor de 4

temps de benzina:

Cicle termodinàmic

Temps d’ADMISSIÓ

Temps de COMPRESSIÓ

Temps d’EXPLOSIÓ

Temps d’ESCAPAMENT

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 37: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 37

• Si seguim el CICLE REAL podem observar l’arrodoniment de les parts

superior i inferior del cicle de treball positiu. Això és així perquè l’explosió

no és exactament a volum constant, ja que comença una mica

Cicle termodinàmic

abans que el pistó

arribi al PMS, igual que la

vàlvula d’escapament s’obre,

també, una mica abans del

PMI. L’àrea acolorida de la

part inferior representa el

treball negatiu realitzat en

l’admissió i escapament i que

realment, com es pot

observar en el diagrama no

és nul.

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 38: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 38

MÀQUINES ALTERNATIVES D’ENCESA PER GUSPIRA

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 39: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 39

MOTORS DE DOS TEMPS (2T)

• En aquest tipus de motors els processos termodinàmics són els

mateixos; el que varia és la forma en què es produeixen.

• Admissió i compressió són simultànies, com l’explosió i

l’escapament.

• Són motors constructivament més senzills (no porten vàlvules, ni arbre

de lleves, pes més reduït...), més econòmics i per tant més indicats per

accionar màquines de poca potència com ciclomotors, grups

electrògenes, serres mecàniques, tallagespes,...

• Teòricament hauria de tenir el doble de potència que un de 4T 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 els de l’explosió barreja dels dos.

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 40: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 40

MOTORS DE DOS TEMPS (2T)

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 41: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 41

ADMISSIÓ + COMPRESSIÓ

EXPLOSIÓ + ESCAPAMENT

MOTORS DE DOS TEMPS (2T)

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 42: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 42

MOTORS D’ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL

• En aquest tipus de motors l’explosió no es produeix a través d’una

guspira, sinó espontàniament a causa de les condicions de T i P a que

se sotmet el combustible dins la cambra de combustió.

• Utilitzen el gasoil com a combustible.

• Els quatre temps d’un motor de gasoil són els mateixos que en els

motors de gasolina:

Temps d’ADMISSIÓ

Temps de COMPRESSIÓ

Temps d’EXPLOSIÓ

Temps d’ESCAPAMENT

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 43: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 43

• Admissió: el cilindre s’omple només d’aire.

• Compressió: es comprimeix l’aire a una pressió molt superior a la d’un

cicle Otto, la qual cosa provoca que la temperatura augmenti

considerablement

• Explosió: poc abans d’arribar al PMS, a través d’un injector,

s’introdueix el combustible finament atomitzat. A causa de l’alta pressió

(>150 atm) i temperatura (>600 ºC) el combustible s’inflama

espontàniament, sense que existeixi un front de flama que avanci, i la

combustió es produeix simultàniament en tots els punt de la cambra

combustió explosió més brusca.

• Escapament: els gasos combustionats són expulsats a l’exterior.

MOTORS D’ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 44: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 44

MOTORS D’ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 45: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 45

Si seguim el CICLE

TEÒRIC podem veure

les quatre etapes del

cicle productiu d’un

motor de 4 temps de

gasoil:

ADMISSIÓ

COMPRESSIÓ

EXPLOSIÓ

ESCAPAMENT

MOTORS D’ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 46: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 46

• Un element característic dels motors dièsel és la bomba d’injecció,

accionada pel mateix motor, que és l’encarregada de fer arribar el

combustible als injectors a la pressió adequada.

• Comparant els motors dièsel amb els de gasolina:

Tenen rendiments més elevats.

Són més robustos

Tenen menys avaries i per tant són més duradors.

Tenen menys consum.

Treballen a pressió més elevada, però no a major temperatura.

Cada cop estan més equiparats pel que fa a pes i prestacions.

MOTORS D’ENCESA PER COMPRESSIÓ O DIÈSEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 47: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 47

CARACTERÍSTIQUES DELS MOTORS

Nombre de cilindres i cilindrada: Els

motors solen tenir 1, 2, 4, 5, 6, 8 o 12

cilindres. El volum de cada cilindre és el que

es genera entre el PMS i el PMI.

La cilindrada és la suma dels volums de cada

cilindre.

crπV 2C [cm3]

CCt nVV [cm3]

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 48: Unitat 2 màquines tèrmiques

min

minC

V

VVr

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 48

Relació de compressió: indica la

relació entre el volum màxim i el mínim

dins del cilindre.

Relació de compressió

OTTO 7-10

DIÈSEL 14-22

CARACTERÍSTIQUES DELS MOTORS

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 49: Unitat 2 màquines tèrmiques

ωP

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 49

Potència i parell motor: els fabricants faciliten les dades de

potència i parell màxim per un determinat règim de velocitat angular.

Aquesta informació la podem veure en les següent gràfiques.

vFtW

P

CARACTERÍSTIQUES DELS MOTORS

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 50: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 50

Consum: es sol indicar en:

• Litres o kg de combustible consumits en una hora de

funcionament [l/h] o [kg/h]

• Litres cada 100 km recorreguts a una velocitat determinada.

Un aspecte a considerar és l’ELASTICITAT del motor.

Un motor elàstic és aquell que obté el parell màxim a baixes

revolucions respondrà amb bona acceleració a un règim de

voltes baix.

Un motor poc elàstic és aquell que necessita que el duguem a

un règim de voltes alt per obtenir una bona resposta en

acceleració té el parell màxim situat a prop del límit de la

velocitat angular màxima.

CARACTERÍSTIQUES DELS MOTORS

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 51: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 51

AUGMENT DE LA POTÈNCIA EN MOTORS. LA SOBREALIMENTACIÓ

• Per augmentar la potència i el rendiment una

opció seria poder augmentar el grau de

compressió dels motors; això comportaria:

Un augment de la Tª i la P en el

moment de l’explosió cicle de

treball més gran.

Motors més robustos més

problemes mecànics.

En motors OTTO autoencesa

abans del salt de la guspira.

Això fa que el grau de compressió resti

limitat a uns valors determinats.

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 52: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 52

• L’altre sistema és la sobrealimentació del motor, que consisteix a forçar

l’entrada d’aire, durant l’admissió, a través d’un compressor.

Combustió molt més efectiva.

No suposa un augment de

consum de combustible, fins i tot

es redueix, ja que augmenta el

rendiment al produir-se un millor

emplenat del cilindre.

• El compressor utilitzat per a la

sobrealimentació sol ser una turbina

accionada pels mateixos gasos

d’escapament motors turbo

AUGMENT DE LA POTÈNCIA EN MOTORS. LA SOBREALIMENTACIÓ

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 53: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 53

AUGMENT DE LA POTÈNCIA EN MOTORS. LA SOBREALIMENTACIÓ

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 54: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 54

• El fet que l’aire o la mescla siguin introduïts a pressió dins del cilindre fa

que augmenti la seva Tª i, per tant, el seu volum específic, que redueix

l’efecte de la compressió. Per tal d’evitar aquest efecte, se situa un

bescanviador de calor o intercooler a la sortida del compressor per tal

de refrigerar l’aire abans de que entri al cilindre.

AUGMENT DE LA POTÈNCIA EN MOTORS. LA SOBREALIMENTACIÓ

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 55: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 55

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

• Dissenyat per l’enginyer alemany Felix Wankel i es va engegar per

primera vegada el 1963 després d’anys d‘investigació.

• El motor du a terme els mateixos cicles que un motor Otto, però l’un

darrere 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.

• Per fer-ho, el motor du un rotor, en forma de triangle equilàter amb

els cantons corbats enfora, que gira excèntricament dins d’una

superfície interior que té la forma d’una cambra ovalada.

• El moviment del rotor es transmès a l’arbre motriu per una corona

interior dentada que engrana amb l’engranatge exterior de l’arbre.

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 56: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 56

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 57: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 57

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 58: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 58

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 59: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 59

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 60: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 60

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 61: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 61

EL MOTOR ROTATIU WANKEL

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 62: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 62

TURBINES DE GAS DE CICLE OBERT

• S’utilitzen bàsicament per la propulsió d’aeronaus i per a la producció

d’energia elèctrica.

• A través d’un conducte s’aspira aire i es comprimeix dins d’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, passen

per la turbina i la fan girar a gran velocitat.

• Sobre el mateix arbre de la turbina està muntat el compressor, de

manera que part del treball efectuat pels gasos a la turbina s’inverteix

en l’accionament del compressor.

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 63: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 63

TURBINES DE GAS DE CICLE OBERT

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 64: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 64

• Els turboreactors funcionen de forma semblant.

TURBINES DE GAS DE CICLE OBERT

MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’Em

Page 65: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 65

• Corresponen a aquest grup les màquines en les quals cal fer un

treball perquè provoquin un flux d’energia tèrmica o calor des d’un

focus fred a un calent.

• Les màquines que poden dur a terme

aquestes accions són la màquina

frigorífica o refrigerador i la bomba

de calor.

• Els refrigeradors i les bombes de

calor treballen entre dues fonts

tèrmiques a diferent temperatura: una

de baixa Tª de la qual s’extreu calor, i

una de calenta on se’n cedeix.

Page 66: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 66

LA MÀQUINA FRIGORÍFICA O REFRIGERADOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 67: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 67

• Funciona amb un circuit tancat, en el qual un gas es sotmet a un

procés de compressió que el fa condensar i a un altre de

vaporització.

• Aquest gas pertany a un grup de fluids

anomenats fluids criogènics, que es

caracteritzen bàsicament per tenir una

elevada calor latent de vaporització i una

pressió d’evaporació superior a

l’atmosfèrica.

• Fins fa ben poc s’utilitzaven els

compostos CFC (responsables en part

de la destrucció de la capa d’ozó).

Actualment s’han substituït per FC.

LA MÀQUINA FRIGORÍFICA O REFRIGERADOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 68: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 68

12

4

3

LA MÀQUINA FRIGORÍFICA O REFRIGERADOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 69: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 69

• S’obté de manera inversa que l’eficiència d’una màquina tèrmica

generadora d’energia mecànica.

Coeficient d’eficiència d’un refrigerador (COP)

W

QCOP c

ch

c

QQ

QCOP

o també

• I l’eficiència màxima segons el segon principi assimilada a la

màquina de Carnot es determina a partir de l’expressió:

ch

cc TT

TCOP

• Cal tenir present que el COP pot ser > 1, la qual cosa no indica que el

rendiment sigui > 100 %, sinó que indica la quantitat de calor extreta

per unitat de treball efectuada. En cap cas podrà ser superior a

l’obtinguda amb la màquina reversible o de Carnot (COPc).

LA MÀQUINA FRIGORÍFICA O REFRIGERADOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 70: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 70

• És essencialment un refrigerador on

s’aprofita la calor cedida al

condensador per escalfar un recinte,

i que actua com a sistema de

calefacció. S’anomena bomba

perquè bombeja calor des d’una font

freda a una de calenta.

• Una bomba de calor també pot

actuar com a refrigerador, si el fem

actuar l’inrevés.

LA BOMBA DE CALOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 71: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 71

LA BOMBA DE CALOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 72: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 72

• En la bomba de calor ens interessa conèixer el treball necessari, no

tant per extreure calor (Qc), sinó per cedir-la a la font calenta (Qh)

Coeficient d’eficiència d’una bomba de calor (COP)

W

WQCOP h

COP1

QW h

d’on

WQQ ch

LA BOMBA DE CALOR

MÀQUINES TÈRMIQUES CONSUMIDORES D’Em

Page 73: Unitat 2 màquines tèrmiques

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 73

• Les màquines tèrmiques han estat un dels factors que més han influït

en el desenvolupament dels transport i de les indústries.

• Actualment, segueixen sent protagonistes, movent gran part de

l’economia de totes les societats industrialitzades.

• L’ús massiu d’aquestes màquines ha provocat també greus problemes

als diferents ecosistemes (medi ambient), ja que la majoria utilitzen

combustibles fòssils que són els responsables, en gran part, de:

– L’efecte hivernacle

– Les pluges àcides

– Les boires fotoquímiques

• Com la seva substitució resulta difícil en molts camps, les

investigacions actuals van en la línia de millorar els seus rendiments i

reduir les emissions nocives al medi ambient que provoca el seu ús.

Page 74: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 74

• Fins pràcticament el segle XVII, els avenços pel que fa a la utilització

del vapor d’aigua com a fluid energètic van ser gairebé nuls. A partir

d’aquesta època destaquem:

LES MÀQUINES DE VAPOR

Denis Papin (1647-1714): Inventa la

primera olla a pressió i construeix algunes

bombes hidràuliques (l’aigua es bombejada

primer pel vapor a pressió i, posteriorment,

a partir del buit que provocava la seva

condensació)

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 75: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 75

Thomas Savery (1650-1715): Patenta “L’amiga del miner”, una

bomba hidràulica que extreia aigua de la mina amb l’ajuda del vapor.

Formada per 2 dipòsits que funcionen alternativament. El primer dipòsit

es troba ple d’aigua que serà impulsada a la superfície empesa per la

pressió del vapor provinent de la caldera.

L’altre dipòsit es troba ple de vapor introduïm aigua freda al

condensar-se fa el buit aspira aigua de la mina a través d’una

canonada i es queda ple.

Mitjançant un joc de vàlvules accionades manualment s’anaven omplint

i buidant alternativament els dipòsits.

El dipòsit no podia estar a més de 10 m per sobre del nivell de l’aigua a

aspirar. Sovint es rebentaven les canonades o les calderes per la P.

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 76: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 76

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 77: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 77

Thomas Newcomen (1663-1729): També treballa amb màquines

atmosfèriques (la P atmosfèrica és la que fa el W al fer-se el buit). El

vapor procedent de la caldera es introduït en un cilindre que fa pujar

l’èmbol (gràcies també al contrapès que porta aquest).

Introduïm aigua freda en el cilindre ple de vapor condensació

(producció de W) buit a l’interior del cilindre baixada de l’èmbol

accionament de les bombes encarregades d’aspirar l’aigua.

Després d’això cal evacuar l’aigua de l’interior del cilindre i tornar a

omplir el cilindre de vapor per repetir el cicle.

Era difícil construir cilindres i èmbols que ajustessin bé (els

materials no estaven encara prou desenvolupats) juntes de cuir

mullades.

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 78: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 78

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 79: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 79

Era necessària gran quantitat de vapor per omplir el cilindre, ja que

aquest es refredava i calia tornar-lo a escalfar cada cicle:

• Excessiu consum de carbó.

• Procés molt lent

Aquesta màquina podia

situar-se a la superfície, ja

que no aspirava l’aigua

directament, sinó que a través

d’ella s’accionaven les

bombes hidràuliques.

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 80: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 80

James Watt (1736-1819): Perfecciona la màquina de Newcomen

col·locant el condensador separat del cilindre, així el cilindre sempre

roman calent, i la condensació es duia a terme en un cilindre apart:

eficiència del procés.

consum de carbó.

Watt introdueix el regulador centrífug o de boles, que permet regular

el cabal de vapor al cilindre i mantenir constant la velocitat de la

màquina (és un dels primers dispositius automàtics)

A partir d’aquest moment s’estén molt l’ús de les màquines de vapor a

nivell industrial (no només a la mineria).

Segueix sent una màquina atmosfèrica (no pot treballar a altes

pressions per la limitació que encara tenen els materials).

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 81: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 81

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 82: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 82

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 83: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 83

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 84: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 84

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 85: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 85

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 86: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 86

• L’impuls definitiu de les altes pressions arriba amb el ferrocarril (degut

a la notable millora de la indústria metal·lúrgica, que proporciona

materials i sistemes que poden aguantar altes P i T).

• A finals dels segle XIX apareixen les primeres turbines de vapor

(Charles Parsons, 1884), que actualment han quedat restringides a la

producció d’electricitat o a l’impuls de grans vaixells o avions.

LES MÀQUINES DE VAPOR

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 87: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 87

ELS MOTORS D’EXPLOSIÓ

• Aprofiten l’energia tèrmica produïda en l’encesa d’un combustible dins

d’un cilindre i utilitzen el treball (W) realitzat en l’expansió dels gasos

produïts.

• El primer intent, sense èxit, van ser els motors de pólvora excessiva

perillositat.

• A la segona meitat del segle XIX es desenvolupa el motor d’explosió i

comença a ser factible la seva utilització. Podem destacar:

Barsanti i Mateucci (italians) motor d’explosió de gas

d’un sol cilindre, refrigerat amb aigua (5 CV).

Etienne Lenoir (francès) (1863) construeix el 1r

automòbil amb motor d’explosió de gas. Després un amb

gasolina.

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ

Page 88: Unitat 2 màquines tèrmiques

06/10/2013 Unitat 2. Màquines tèrmiques 88

Nikolas Otto i Eugen Langen (alemanys) (1867)

construeixen motor similar al dels italians però amb menor

vibració i pes.

Després, el 1876, construeixen el Silent–Otto, amb

mecanisme de biela-maneta i quatre temps (més efectiu i

menys sorollós), que encara avui en dia està vigent

CICLE OTTO

Rudolf Diesel (alemany) (finals segle XIX) proposa un

motor amb l’encesa per compressió, sense espurna

CICLE DIESEL

• Actualment es van introduint millores, però el principis de funcionament

segueixen essent els mateixos, el cicle Otto per a motors de gasolina i

el cicle Diesel per a motors de gasoil.

ELS MOTORS D’EXPLOSIÓ

MÀQUINES TÈRMIQUES: HISTÒRIA I EVOLUCIÓ