Maquines Termiques

1. MÀQUINES TÈRMIQUES GENERADORES D’ENERGIA MECÀNICA

Les principals característiques són les següents:

• Reben calor d’una font d’alta temperatura.

• Transformen en treball una certa quantitat de la calor que reben.

• Alliberen una certa quantitat de calor a una font de baixa temperatura.

• Operen dins d’un cicle.

1.1 MÀQINES DE COMBUSTIÓ EXTERNA

La majoria de màquines de vapor pertanyen a aquest grup.

1.1.1 Instal•lacions de vapor

La caldera esta formada per dos dipòsits units per tubs per els quals passen els vapors a alta temperatura. El vapor format al dipòsit superior passa per un reescalfador que fa que incrementi la seva temperatura i pressió abans d’arribar a la turbina, on s’expandeix i produeix treball. El vapor procedent de la turbina, una vegada condensat i transformat en aigua, s’impulsa per una bomba a la caldera, on serà escalfada pels fums procedents de la combustió que surten de la caldera. Abans de ser alliberats a l’exterior per la xemeneia, els fums escalfen l’aire fred de l’exterior necessari per a la combustió per mitjà d’un bescanviador de calor format per una sèrie de conductes.

1.1.2 Turbines de vapor

-Turbines d’acció: El vapor procedent de la caldera arriba a una roda fixa que conté una sèrie de toveres equidistants del centre i repartides uniformement. A les toveres el vapor s’expandeix i transforma l’energia potencial en cinètica. Aquest vapor a gran velocitat incideix sobre els àleps i obliga a fer girar la roda.

-Turbines de reacció: Contenen una sèrie de rodets amb àleps a tota la perifèria, col•locats alternativament amb diàmetres creixents. El vapor entra frontalment passen pels àleps, on els fixos orienten el vapor cap als rodets mòbils. El diàmetre creixent es causat per l’augment de velocitat del vapor a mesura que s’expandeix i perd pressió.

1.1.3 Cicles termodinàmics

En aquest tipus de màquines és millor es pot fer una aproximació a la maquina ideal de Carnot.

a) Al forn o als cremadors es du a terme la combustió, de carbó, gasoil, fuel, gas o qualsevol altre material combustible. La calor generada en aquest font Qh és absorbida per l’aigua de la caldera.

b) A la calder, l’aigua es vaporitza a causa de la calor absorbida i la temperatura es manté constant. Hi ha una expansió isotèrmica d’1 a 2 a una temperatura Th fins a la turbina.

c) A la turbina hi ha una expansió adiabàtica i la temperatura i la pressió baixen.

d) El vapor surt de la turbina i va al condensador, on es condensa l’aigua a temperatura constant Tc, hi ha una compressió isotèrmica a causa de la reducció de volum. Hi ha una cessió de calor Qc a la font freda.

e) L’aigua es comprimida adiabàticament fins a la pressió de la caldera perquè hi pugui tornar a entrar.

2. Màquines tèrmiques d’encesa provocada

Hi ha dos tipus d’encesa per guspira o d’encesa per compressió

2.1 Màquines tèrmiques alternatives d’encesa per guspira

La principal maquina alternativa d’encesa per guspira és el motor de quatre temps que segueix el cicle Otto. Aquests motors utilitzen gasolina com combustible. El funcionament es divideix en quatre etapes:

a) Temps d’admissió. Comença quan el pistó ha baixat una mica respecte el punt mort superior. Quan el pistó ha baixat es crea una depressió dins del cilindre que, quan les vàlvules d’admissió s’obren entra l’aire provinent de l’exterior prèviament filtrat i a vegades escalfat. Les vàlvules es tanquen una mica desprès de que el pistò arribi al punt mort inferior, de manera que el cilindre estarà ple d’aire.

b) Temps de compressió. Un cop tancada la vàlvula d’admissió, el pistó inicia un moviment ascendent provocant una compressió.

c) Temps d’explosió. Abans d’arribar al PMS, s’injecta la gasolina dins del conducte d’admissió on hi ha l’aire comprimit. Aquesta injecció es fa per mitjà d’un mitjà anomenats injectors, controlats electrònicament. Aquest sistema s’anomena injecció electrònica i ha substituït els antics carburadors. Un cop s’ha fet l’ injecció, es provoca l’explosió mitjançant una guspira produïda per la bugia, que inflama la mescla aire-combustible.

El gasos resultants empenyen el pistó cap al PMI. L’explicació de que l’explosió comenci una mica abans de que el pistó arribi al PMS es que la mescla gasosa no és instantània. Per donar temps a la propagació de la flama i que la combustió sigui completa, cal començar la ignició de la mescla una mica abans del PMS.

d) Temps d’escapament. Abans de que el pistó hagi arribat al PMI, les vàlvules d’escapament s’obren i deixen sortir els gasos produïts per la combustió. L’obertura de les vàlvules d’escapament es produeix abans perquè així quan el pistó iniciï el seu moviment de ascendent les vàlvules ja estaran totalment obertes.

El cicle productiu que segueixen és el representat en el diagrama pV.

a) De la posició 1 a la posició 2 hi ha compressió, que teòricament és adiabàtica.

b) De la posició 2 a la posició 3 hi ha explosió, que teòricament s’esdevé en volum constant

c) De la posició 3 a la posició 4 hi ha una expansió també adiabàtica.

d) De la posició 4 a la 1 el procés és teòricament a volum constant, en el qual els gasos perden pressió en obrir-se la vàlvula d’escapament.

Abans de retornar a la posició 1 de compressió, el motor ha de fer treball negatiu, ja que ha d’efectuar l’escapament i expulsar els gasos cremats després fer-ne l’admissió per iniciar el cicle de treball positiu. L’arrodoniment de les parts superior i inferior del cicle de treball positiu és a causa de que l’explosió no és exactament a volum constant, ja que comença una mica abans de que el pistó arribi al PMS, igual que la vàlvula d’escapament s’obre una mica abans del PMI.

2.2 Motos de dos temps.

En els motors de dos temps, els processos termodinàmics són els mateixos, el que varia es la forma de produir-los.

...