Energia i Màquines Tèrmiques: Funcionament i Tipus

1. Energia i Màquines Tèrmiques:

Les màquines tèrmiques ens són molt familiars perquè formen part del nostre paisatge urbà: cotxes, motos, autobusos, camions i altres. La seva capacitat de generar treball està assegurada per un motor que converteix l'energia de la gasolina o del gasoil en energia motriu.

Les motos de competició MotoGP també incorporen motors tèrmiques.

1.1 Transformació de l'Energia Tèrmica en Energia Mecànica:

Els motors tèrmiques 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.

L'energia tèrmica subministrada a un motor tèrmic no es transforma totalment en energia mecànica. Una part es dissipa en forma de calor, i si no s'aprofita d'alguna manera es considera que és una energia perduda.

Els motors tèrmiques tenen la seva principal aplicació en el transport: vehicles terrestres, avions i vaixells. També tenen aplicació en les centrals tèrmiques de producció d'energia elèctrica, en què la combustió del carbó, el fuel o el gas natural fa girar una turbina que provoca el moviment del generador elèctric.

En tots els casos, l'energia tèrmica excedent s'ha d'evacuar del sistema a través d'un radiador o d'una torre de refrigeració.

Motor tèrmic: màquina motriu que transforma l'energia tèrmica o calor en energia mecànica.

- En les màquines de combustió externa, el combustible es crema a fora de la màquina per escalfar aigua fins a 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.

En els motors hi ha dos tipus de mecanismes per a l'obtenció de l'energia mecànica de rotació. En els motors rotatius, la conversió de l'energia tèrmica en un moviment motriu es produeix en mecanismes rotatius, sense intermediaris. En canvi, 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.

1.2 Energia, Treball i Potència

El principi de funcionament de les màquines es basa en el concepte físic de treball.

Treball: acció d'aplicar una o més forces sobre un cos i provocar o modificar el seu moviment.

Fórmula del Treball -> W= F· s (J)

On W és el treball expressat en joules (J), F és la força aplicada, en newtons (N), i s és el desplaçament del cos, en metres (m).

La unitat de treball és el joule (J), que equival al treball realitzat per una força d'un newton que, aplicada a un cos, li provoca un desplaçament d'un metre.

1 Joule = 1 Metre = 1 Newton

Energia: capacitat de realitzar un treball.

Potència: treball efectuat per unitats de temps.

Fórmula de Potència -> P= W/Δt

On P és la potència en watts; W, el treball en joules; i Δt és l'interval de temps en segons en el qual es duu a terme el treball.

1 Watt = 1 Joule / 1 Segon

Calcular el Rendiment = η = Ws / We·100

1.3 El Rendiment Elèctric

En qualsevol transformació d'energia es vol aconseguir la menor pèrdua d'energia possible, és a dir, que l'energia aportada a una màquina es transformi majoritàriament en energia útil.

El rendiment 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 %.

2. Màquines Tèrmiques de Combustió Externa

En les màquines tèrmiques de combustió externa, el combustible genera calor per evaporar aigua en calderes. El vapor és injectat a un sistema mecànic que el transforma en energia mecànica. La màquina de vapor, que ja és història, i la turbina de vapor són les dues màquines d'aquest tipus més rellevants.

2.1 La Turbina de Vapor Rotativa

La turbina de vapor rotativa forma part dels sistemes d'obtenció d'energia elèctrica en centrals tèrmiques (carbó, fuel, gasoil, gas natural) i en centrals nuclears. També és utilitzada en grans vaixells per moure les hèlixs.

La turbina rep el vapor procedent d'una caldera, on es produeix la vaporització de l'aigua, a partir de la crema del combustible o de la calor generada en una reacció nuclear. El vapor es mou en un circuit tancat, i una vegada ha passat per la turbina, el condensador en redueix la temperatura i una bomba en força el pas de nou cap a la caldera.

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, i a causa de la inclinació dels àleps, és dirigit cap als àleps del rodet fix, que també estan inclinats, de manera que el dirigeixen de nou cap al rodet següent (reacció), que és giratori, i així successivament, tal com es pot veure en les il·lustracions. Els rodets tenen diàmetres creixents des de l'entrada del vapor fins a la sortida per aprofitar millor l'energia del vapor a mesura que va perdent pressió.

3. Màquines de Combustió Interna Alternatives

Aquest tipus de motors poden tenir una estructura que permet la construcció de models de diferents grandàries, des de petits motors per a motocicletes fins a grans motors per a vaixells. També es fabriquen per a diferents tipus de combustibles: gasolina, gasoil i gas natural.

El tipus de combustible determina el disseny específic del motor per aconseguir l'alliberament d'energia esperat. Actualment, n'hi ha de dos tipus: els motors d'encesa per guspira o de cicle Otto, i els d'encesa per compressió o de cicle dièsel. A més, hi ha diferents solucions estructurals que es diferencien pel nombre de cicles: dos temps (2T) i quatre temps (4T).

Els motors de dos temps són mecànicament més simples que els de quatre temps. Això fa que siguin més lleugers i econòmics, i que necessitin menys operacions de manteniment. Per contra, el seu cicle de funcionament no es pot regular totalment, cosa que fa que el seu rendiment sigui més baix que el dels motors de quatre temps.

3.1 Funcionament dels Motors Alternatius 4T:

De motors alternatius de quatre temps n'hi ha de dos tipus: els d'encesa per guspira o cicle Otto i els d'encesa per compressió o cicle dièsel. Els dos tenen una estructura similar, però funcionament i combustibles diferents, tal com descriurem més endavant. Veiem quins elements tenen en comú.

La part del motor on es produeix la transferència d'energia tèrmica és a la cambra de combustió, a la part superior del cilindre. A la cambra de combustió arriben el combustible i l'aire quan s'obre la vàlvula d'admissió.

La inflamació del combustible produeix una expansió, en forma de gasos, que empenyen l'èmbol en sentit descendent fins al punt mort inferior (PMI). El seu desplaçament es transmet a la biela, que, al seu torn, fa girar la maneta o manovella, que és al cigonyal.

Quan l'èmbol ascendeix fins a arribar al punt mort superior (PMS), empeny els gasos cremats que surten del cilindre a través de la vàlvula d'escapament.

Les vàlvules s'obren i es tanquen, de manera sincronitzada, per un arbre de lleves que es mou a partir del gir del cigonyal, a través d'un sistema de transmissió com una cadena o una corretja.

A la part inferior hi ha un receptacle d'oli, anomenat càrter. Aquest oli serveix per lubrificar les parts del motor que són en moviment, especialment cigonyal, biela i èmbol. Tot aquest conjunt d'elements es troba tancat en l'anomenat bloc motor i la culata, que el cobreix en la part superior.

A. El Motor d'Encesa per Guspira o de Cicle Otto

Aquest motor deu el seu nom a l'enginyer alemany Nikolaus Otto. L'any 1876, va dissenyar un motor de gas amb elements molt similars als de la màquina de vapor. El cicle de funcionament d'aquest motor constava de quatre temps o fases i va suposar la base del motor d'explosió de gasolina.

El motor de cicle Otto s'alimenta amb gasolina, també anomenada benzina. Hi ha dos sistemes per portar la gasolina del dipòsit al motor: a través de carburador i a través d'injector. El sistema d'injecció és molt més eficient que el de carburació.

La inflamació de la gasolina a l'interior de la cambra de combustió ha de ser provocada a través d'una espurna o guspira elèctrica que es produeix a la bugia.

Vegem com és aquest motor i les quatre fases del seu cicle de funcionament.

1R Temps: Admissió

En aquesta fase, l'èmbol es troba en el PMS. La vàlvula d'escapament es troba tancada, i la d'admissió s'obre. A mesura que l'èmbol comença a baixar, provoca una succió que aspira l'aire de l'exterior, que entra barrejat amb una petita quantitat de gasolina que ha estat polvoritzada per l'injector. Aquesta fase acaba quan l'èmbol arriba al PMI.

2N Temps: Compressió

La vàlvula d'admissió es tanca, i l'èmbol inicia el seu ascens fins a arribar al PMS. La barreja d'aire i de gasolina assoleix la seva màxima compressió.

3R Temps: Explosió

En aquest temps, a la bugia ha de saltar la guspira per inflamar la barreja d'aire i gasolina. La bugia rep una alta tensió, que en arribar als elèctrodes fa saltar un arc voltaic o guspira que inflama la barreja, i es produeix una forta explosió. Els gasos s'expandeixen i empenyen fortament l'èmbol cap al PMI.

4T Temps: Escapament

Quan l'èmbol arriba al PMI, procedent de la fase d'explosió, 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 de nou en el temps d'admissió.

B. El Motor d'Encesa per Compressió o de Cicle Dièsel

En el motor dièsel, en el temps d'admissió, només entra aire al cilindre, que serà fortament comprimit en la fase de compressió, i arriba a una temperatura molt elevada, de més de 600 ºC. En el moment de l'explosió, un injector, alimentat per una bomba molt potent, injecta al cilindre una petita quantitat polvoritzada de gasoil. En entrar en contacte amb l'aire calent i a pressió, s'inflama i genera una gran 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 robusts que els de gasolina, tenen un millor rendiment (al voltant d'un 40%) i són més duradors. Abans només eren utilitzats en camions, autocars, trens i maquinària agrícola, però actualment són molt comuns en els automòbils.

3.2 Característiques dels Motors

En els motors es defineixen diferents característiques que determinen el seu comportament. Les més usuals són: la cilindrada, la relació de compressió i la potència.

A. Cilindrada

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. / Vc= π · r^2· c (cm^3)

El volum màxim d'un cilindre (Vmàx.) es calcula sumant el volum del cilindre (Vc) i el volum de la cambra de combustió (Vmín.) / Vmx= Vc + VmIn. (cm^3)

La cilindrada del motor (Vt) dependrà del nombre de cilindres (nc) que tingui: Vt= VmIx + nc (cm^3)

Relació de Compressió:

La relació de compressió d'un motor es calcula amb el quocient entre el volum màxim (Vmàx.) i el volum de la cambra de combustió (Vmín.)

rc= Vmx/ VIn (no té unitats)

Potència

La potència depèn de la freqüència de rotació del cigonyal o arbre de sortida del motor. Aquesta velocitat és variable, i per això els fabricants donen la potència màxima i el valor de freqüència de rotació a què s'aconsegueix. Per exemple: 100 kW a 6 500 min–1. Tanmateix, des d'un punt de vista constructiu, la potència depèn de diversos factors, però un dels més característics és la cilindrada total. Normalment, a més cilindrada, més potència, però també més consum de combustible.

4. Els Sistemes Auxiliars

Per aconseguir un funcionament adequat del motor, cal un conjunt de sistemes auxiliars sense els quals no pot funcionar. Ho descriurem en el cas concret dels automòbils.

El sistema d'alimentació és el que fa arribar el combustible als cilindres en la quantitat i el moment adequats. Aquest consta d'un conjunt de conductes, una bomba d'impulsió, els injectors i un sistema electrònic que sincronitza la injecció amb la posició de l'èmbol de cada cilindre.

El sistema d'encesa electrònica en els motors de cicle Otto genera l'impuls d'alta tensió perquè la bugia generi la guspira just en el moment adequat.

El sistema de refrigeració té la funció d'evacuar l'energia tèrmica que es genera en les explosions a l'interior dels cilindres per tal de limitar la temperatura màxima del bloc motor. Per això, hi ha un circuit tancat de líquid refrigerant en què una bomba en força la circulació a través de conductes a l'interior del bloc motor i de la culata i a través d'un radiador.

El sistema de lubrificació té la funció de reduir la fricció entre les peces en moviment i evitar el seu desgast. Es realitza a través d'un circuit tancat d'oli en què una bomba l'impulsa, a la part superior de la culata, per lubrificar l'arbre de lleves i les vàlvules, les parets del cilindre, la biela i el cigonyal, i es recull al càrter, des d'on comença de nou el circuit.

El sistema d'escapament és el circuit que han de seguir els gasos de la combustió des del cilindre fins a ser alliberats a l'atmosfera. La funció de l'escapament és reduir el soroll produït per les explosions del motor. En el circuit d'escapament, s'incorpora el catalitzador, que té la funció de provocar canvis químics en els gasos per reduir la seva toxicitat i que així esdevinguin menys contaminants. El sistema de transmissió té la funció de transmetre el moviment del motor i la seva potència als mecanismes de tracció del vehicle. L'element que fa d'intermediari en aquest procés és l'embragatge, que permet connectar o desconnectar mecànicament la transmissió del moviment del motor a la caixa de canvis. Aquesta consisteix en un conjunt d'engranatges que redueixen la freqüència de gir del cigonyal per adaptar-la a la de les rodes motrius.

5. Màquines de Combustió Interna Rotatives

Les màquines de combustió interna rotatives més comunes són les turbines de gas i els turboreactors. Les turbines de gas són utilitzades en l'accionament d'alternadors per a la producció d'electricitat, i els turboreactors són utilitzats en el camp de l'aeronàutica. La conversió de l'energia del combustible en energia mecànica es produeix en un sistema rotatiu que repercuteix directament sobre l'eix de sortida.

En aquests tipus de motors, es repeteixen les quatre fases d'un motor alternatiu: admisió, compressió, explosió i escapament, però amb una estructura de motor totalment diferent.

5.1 La Turbina de Gas de Cicle Obert

Les turbines de gas de cicle obert són emprades en la producció d'electricitat en centrals elèctriques alimentades amb gas.

En la turbina de gas, el gas natural entra a la cambra de combustió, on es barreja amb l'aire procedent de l'exterior a gran velocitat, de manera que els gasos de la combustió s'expandeixen i passen a gran velocitat a través dels àleps d'una turbina, obligant-la a girar. L'eix d'aquesta fa girar un compressor que absorbeix l'aire de l'exterior i el comprimeix a gran velocitat, impulsant-lo a la cambra de combustió. A la cambra de combustió s'arriba a temperatures d'uns 1 300 ºC a una pressió d'entre 10 i 30 bar.

5.2 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: admisió, compressió, explosió i escapament, es produeixen simultàniament, i en aquesta seqüència, al llarg del turboreactor.

Després de l'etapa d'admissió de l'aire, aquest és comprimit per un compressor de turbina cap a la cambra de combustió, on barrejat amb el combustible es produeix una combustió continuada. Els gasos generats són expulsats cap a l'exterior, a alta temperatura i a gran velocitat, tot passant pels àleps de la turbina que gira solidàriament a l'eix del compressor, el qual força l'entrada d'aire a pressió. En aquests motors, els gasos de sortida són expulsats a una enorme velocitat. Pel principi d'acció-reacció s'origina una empenta del motor en sentit contrari, que el fa avançar.

Els turboreactors utilitzen com a combustible el querosè, que és un derivat del petroli. El querosè es congela a –47 ºC, mentre que el gasoil ho fa a –10 ºC, cosa que el fa apte per als avions, que a les altituds habituals de vol poden arribar a temperatures de fins a –35 ºC.

6. Els Combustibles

6.1 Els Combustibles Fòssils. Origen, Transformació i Distribució

El carbó va ser el primer combustible emprat a les màquines de vapor i, actualment, encara és utilitzat en algunes centrals termoelèctriques per generar electricitat. El gasoil, el fuel, la gasolina i el querosè són combustibles derivats del petroli. El gas natural s'extreu de jaciments subterranis i és àmpliament usat en centrals termoelèctriques, i en menys quantitat en automòbils i autobusos. Tots aquests combustibles són d'origen fòssil.

Els combustibles fòssils provenen de la matèria orgànica que, fa milions d'anys, va quedar atrapada sota diferents capes del subsòl i va experimentar un procés de transformació que es coneix com a fossilització. És en aquest procés que es formen el carbó, el petroli i el gas natural, en jaciments subterranis.

El carbó és el recurs energètic amb més reserves que s'obté amb l'explotació minera que l'extreu del subsòl amb mines a profunditat o bé en explotacions a cel obert. Els principals recursos carbonífers es troben ubicats als Estats Units, Rússia i la Xina, que representen el 50% dels del planeta. Sol transportar-se als llocs d'utilització en tren, camions i vaixells.

El petroli és un recurs que rau en jaciments d'on s'extreu a través de pous perforats a molta profunditat, ja sigui en terra ferma o en el mar. Després es destil·la en refineries per obtenir gasolina, gasoil, fuel i querosè. Es transporta a través d'oleoductes i vaixells petroliers.

El gas natural s'extreu de bosses subterrànies amb un procediment similar al del petroli. La seva utilització no requereix transformacions importants. Es transporta a través de gasoductes de milers de quilòmetres, i a través de vaixells metaners, i també en tren i camions.

El progressiu exhauriment dels pous de petroli i de gas natural ha fet aparèixer noves tècniques d'extracció, com el fracking. És una tècnica molt agressiva amb el subsòl per tal d'extreure'n petites quantitats de combustible. El fracking és àmpliament qüestionat per científics i moviments ecologistes pels efectes negatius que té en el subsòl, especialment en les capes freàtiques i, en superfície, per l'afectació de grans àrees.

6.2 Els Derivats del Petroli

Els derivats del petroli que s'han esmentat anteriorment s'obtenen de la destil·lació del cru de petroli en les refineries, a diferents graus de temperatura de destil·lació.

Als derivats se'ls afegeixen additius per millorar-ne les característiques. En la gasolina s'incorporen per evitar l'autodetonació, que és l'explosió de la barreja d'aire i de gasolina a l'interior del cilindre per l'efecte de la compressió i de la temperatura, no per l'acció de la guspira. Atès que l'explosió es produeix

massa - kg

distància - metres

força - newtons

w= j v/s

pes -> massa x gravetat