Maquinària Tèrmica: Característiques, Cicles i Tipus de Motors

Característiques Generals de les Màquines Tèrmiques

• Reben calor d’una font d’alta temperatura (solar, petroli, carbó...).
• Transformen en treball una certa quantitat de la calor que reben (en forma de rotació).
• Alliberen una certa quantitat de calor a una font de baixa temperatura.
• Operen dins d’un cicle.

Turbines de Vapor

La transformació de l’energia del vapor en energia mecànica es duu a terme amb turbines, que accionen els alternadors a les centrals tèrmiques o les hèlixs als grans vaixells.

A les instal·lacions d’alta potència, a causa de la gran energia potencial del vapor, aquesta no es transforma totalment en energia cinètica en una sola turbina. Per aquesta raó, l’expansió del vapor es fa en tres etapes. En la primera fase actua una turbina mixta d’acció-reacció (turbina d’alta pressió), i en les altres dues actuen turbines de reacció (mitjana i baixa pressió).

Tipus de Turbines de Vapor

Turbines d’Acció

El vapor procedent de la caldera arriba a una roda fixa que conté toveres equidistants del centre i repartides uniformement. A les toveres, el vapor s’expansiona i transforma la seva energia potencial en cinètica. Llavors, el vapor a gran velocitat incideix sobre els àleps d’una roda, i la fa girar.

Turbines de Reacció

Contenen rodets a tota la perifèria, alguns de fixos i altres mòbils, col·locats alternativament amb diàmetres creixents. El vapor entra frontalment a través dels àleps, i els rodets fixos orienten el vapor cap als rodets mòbils, que estan connectats a l’arbre de sortida.

Cicle Otto (Motors de 4 Temps)

1. Temps d'Admissió

   Comença quan el pistó ha baixat una mica respecte del PMS (Punt Mort Superior). Actualment, la majoria de motors porten dues, i fins i tot tres, vàlvules d’admissió, per tal de facilitar al màxim l’entrada d’aire dins dels cilindres. En baixar una mica amb les vàlvules tancades, es crea una depressió dins del cilindre que, quan les vàlvules d'admissió s'obren, facilita l'entrada d'aire provinent de l'exterior, prèviament filtrat i de vegades escalfat. Quan el pistó arriba al PMI (Punt Mort Inferior), l’aire entrant té, per inèrcia, una certa velocitat, per la qual cosa les vàlvules es tanquen una mica després del PMI, de manera que asseguren una bona emplenada del cilindre.

2. Temps de Compressió

   Un cop tancada la vàlvula d'admissió, amb el moviment ascendent del pistó comença la compressió fins a una mica abans que el pistó arribi al PMS.

3. Temps d'Explosió (o Expansió)

   Una mica abans d'arribar al PMS, s'injecta la gasolina dins del conducte d’admissió o directament a la cambra de combustió on hi ha l'aire comprimit anteriorment. Aquesta injecció es fa per mitjà d'uns dispositius anomenats injectors, controlats per un microprocessador que gestiona el moment, la durada i la quantitat de combustible de la injecció, en funció de les condicions de la cambra de combustió i de la demanda de potència. Això es diu injecció electrònica; abans hi havia carburadors.

   Un cop efectuada la injecció, es provoca l'explosió mitjançant una guspira d'origen elèctric produïda per la bugia, que inflama la barreja aire-combustible. En aquest moment, la pressió i la temperatura augmenten. Els gasos resultants empenyen el pistó cap al PMI. El fet que l’explosió comenci una mica abans del PMS és perquè la combustió de la barreja gasosa no és instantània. Un front de flama avança des de la bugia fins al cap del pistó.

4. Temps d'Escapament

   Una mica abans que el pistó hagi arribat al PMI, s'obren les vàlvules d'escapament i comencen a sortir els gasos de la combustió. Les vàlvules d'escapament s'obren una mica abans per tal que, quan comenci el moviment ascendent del pistó per expulsar els gasos cap a l'exterior, es trobi totalment oberta, i així no ofereixi resistència a la sortida. A partir que el pistó arriba al PMS, les vàlvules d'escapament es tanquen, i es torna a començar pel primer temps.

Motor de Dos Temps

Els gasos de l’admissió entren a dins del cilindre al mateix temps que surten els de l’explosió, la qual cosa provoca que es barregin molt o poc, i que per inèrcia se n’escapin alguns de l’admissió barrejats amb els d’escapament. Això es produeix perquè els espiralls d’admissió i escapament sempre estan oberts i es tanquen amb el pistó segons la seva posició.

El fet de no dur vàlvules ni arbre de lleves, el seu pes reduït i el seu preu els fan ideals per a màquines de poca potència (exemples: ciclomotors, serres mecàniques...).

Motors Dièsel

S’utilitza gasoil o altres combustibles pesants. Poden ser de 2 o 4 temps. En els més normals, de 4 temps, durant l’admissió s’omple el cilindre només d’aire i es comprimeix a més pressió que en els motors Otto.

Aquests motors tenen un rendiment més alt, són més duradors i consumeixen menys. Això es deu al fet que les temperatures durant la combustió són més baixes, i el dièsel és més barat. A més, tenen menys avaries per la manca de sistemes com la bugia.

La Bomba d’Injecció Dièsel

La bomba d’injecció és l’encarregada de fer arribar el combustible als injectors a la pressió adequada. Són molt sofisticades i importants per al funcionament del motor.

Característiques Tècniques dels Motors

Paràmetres Geomètrics

• Nombre de cilindres (n)
• Cilindrada individual (Vc)
• Cursa (c)
• Relació de compressió (r)

Fórmules relacionades:

Vc = r²c

Vt = Vc · n

Vmin = Vc / (r - 1)

Potència i Parell Motor

La majoria de fabricants solen facilitar les dades de la potència i del parell motor màxim a un règim de velocitat angular determinat.

Els Combustibles

El consum es mesura en L/h, i les emissions són importants. Les gasolines, gasoils i querosens estan formats d’una barreja d’hidrocarburs que contenen carboni i hidrogen.

Els Catalitzadors

Per tal de reduir l’impacte que produeix l’emissió de gasos, els catalitzadors són obligatoris en certs automòbils. Depuren els gasos d’escapament.

Sistemes per a la Millora de Potència i Rendiment

• Augmentar el Grau de Compressió

  Comporta un augment de la temperatura i pressió que dóna lloc a un cicle de treball més gran, però cal mantenir un límit tècnic.

• Sobrealimentació (Motors Turbo)

  Consisteix a forçar l’entrada d’aire durant l’admissió per mitjà d’un compressor. Això fa que la combustió sigui més efectiva. El consum a vegades es redueix ja que el rendiment és més gran.

• Conducte Comú (Common Rail)

  Consisteix en una bomba que manté el combustible dins d’un conducte comú per a tots els cilindres, a alta pressió. Els injectors prenen el combustible del conducte comú en lloc de ser alimentats individualment per la bomba. Això permet controlar electrònicament el moment i la durada de la injecció, a més de mantenir la pressió d’injecció constant. El sistema també permet efectuar la injecció del combustible en diverses etapes.

Motors Wankel (Rotatius)

Duu a terme els mateixos cicles que els Otto, però un darrere de l’altre en un sistema de 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 té forma de triangle equilàter amb els costats en corba, que gira excèntricament dins d’una cambra ovalada. Malgrat l’avantatge de no produir moviments alternatius (sense vibracions) i que es produeixen 3 explosions per rotació, no ha tingut èxit per problemes d’estanquitat de les subcambres i pels problemes de refrigeració i lubricació, la qual cosa fa que la seva vida útil sigui curta.

Turbines de Gas

Són emprades en la propulsió d’aeronaus i per produir energia elèctrica. El seu funcionament es basa en l’energia cinètica d’uns gasos que passen a gran velocitat pels àleps d’una turbina, i la fan girar. Per a això, mitjançant un conducte s’aspira aire i es comprimeix dins d’una cambra on s’injecta combustible.

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.

Turboreactors

En els turboreactors, els gasos generats a alta velocitat i temperatura són expulsats cap a l’exterior tot passant pels àleps de la turbina, que gira solidària a l’eix del compressor. En aquests motors és la velocitat de sortida la que fa que s’origini una empenta en sentit contrari sobre el motor i el fa avançar.

Màquines Frigorífiques

El compressor 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 és un fluid criogènic, que té una calor latent de vaporització elevada i una pressió d’evaporació superior a l’atmosfèrica. Abans, aquests gasos eren de CFC, que van provocar la destrucció de la capa d’ozó.

Durant la vaporització s’extreu la calor de l’espai que es vol refredar i en la condensació surt a l’exterior (basat en el cicle de la màquina de Carnot).

Bomba de Calor

És un refrigerador que aprofita la calor cedida al condensador per escalfar un recinte i actua com una calefacció. La bomba de calor mou energia tèrmica des d'una font freda a una calenta, i també pot actuar com a refrigerador.

Així, hi ha sistemes que a l’hivern cedeixen la calor del condensador a un corrent d’aire i escalfen una estança. A l’estiu es fa passar l’aire per l’evaporador i s’obté una refrigeració.