Motoare Termice

Motoare Termice

Motoarele termice sunt motoarele ce consuma un combustibil (benzina, motorina, alcool, etc) si transforma caldura dezvoltata in lucru mecanic.

Scurt istoric

Inca din veacul al doilea i.e.n. Heron din Alexandria cunostea forta de expansiune a vaporilor si a construit chiar o turbina cu reactie. Inventia lui a cazut uitare datorita faptului ca relatiile de productie nu erau favorabile unei aplicatii mai largi in practica.

Abia in 1707 Demis Papiu reactualizeaza problema si construieste o masina cu vapori pe care o instaleaza pe o corabie. Principiul de functionare era urmatorul: apa fierbea intr-un cazan inchis si vaporii treceau intr-un cilindru care impingea un piston; miscarea alternativa a psitonului era comandata manual prin deschiderea si inchiderea unor robinete.

Mai tarziu, in anul 1765, scotianul James Watt perfectioneaza masina cu vapori, dandu-I forma definitiva sub care functioneaza si astazi.

De-alungul timpului turbinele cu vapori s-au dezvoltat foarte mult, extinzandu-se pe o scara tot mai larga. Vaporii de abur au o masa specifica mult mai mica decat a apei si de aceea trebuie sa intre in paletele turbinei cu o viteza mult mai mare. Aceasta viteza ajunge uneori la 1 km/s iar presiunea la 200 at.

Motoarele cu ardere interna sunt motoarele termice de cea mai larga raspndire. Ele au inceput sa evolueze mult mai tarziu datorita temperaturilor dezvoltate (cca 2000 °C) in corpul motorului. Din acest motiv dezvoltarea lor a avut loc odata cu dezvoltarea metalurgiei care a ajuns sa produca oteluri si aliaje suficient de rezistente. Avantajul acestora fata de turbinele cu abur este in principal ca au gabarite mult mai reduse si pot fi puse in functine imediat. Astazi se construiestc asemenea masini cu puteri de 2500 CP la o greutate de numai 500g/CP.

O alta masina termica este motorul Diesel. El a aparut la inceputul anului 1900 in Germania si a fost inventat de Rudolf Diesel. La aceste motoare aerul este comprimat rapid in cilindru pana la 25-30 at. Aceasta comprimare ridica temperatura pana la 7-800 °C, producand astfel aprinderea combustibilului sub forma de mici picaturi produse de un vaporizator. Motorul Diesel este mult mai robust decat motoarele cu explozie si are avantajul ca foloseste combustibil ieftin: motorina, titei sau chiar praf de carbune.

Se fabrica pe scara larga in industrie, pe locomotive, automobile, autocamioane. In prezent puterea dezvoltata de aceste motoare poate ajunge pana la 20 000 CP.

Legile de baza ale functionalitatii masinilor termice

Masinile termice au la baza lor de functionare principiile I si II ale termodinamicii.

Principiul I stabileste legatura dintre cantitatea de caldura produsa si energia mecanica absorbita sau invers. Intre o cantitate de caldura Q si lucru mecanic L din care a provenit vom avea relatia de echivalenta:

L = f * Q

unde f este numit echivalentul mecanic al caloriei.

Principiul I al termodinamicii se enunta astfel: Intr-un sistem perfect izolat, suma energiilor de orice fel pe care le contine ramane constanta.

Bazandu-ne pe aceasta afirmatie pentru a deduce ca daca dam un corp o cantiate de caldura DQ peste cea pe care o avea initial, aceasta energie suplimentara poate sa aibe urmatoarele manifestari:

sa oblige corpul sa execute un lucru mecanic L exterior

sa ridice temperatura corpului

sa modifice structura interna a corpului

In concluzie, din caldura DQ data corpului o parte se va transforma in DL care se manifesta ca lucru mecanic exterior, o parte DU se absoarbe si produce o variatie a energiei interne. Expunerea matematica este urmatoarea:

DQ = DU + DL

Principiul I stabileste numai cantitativ cat lucru mecanic se poate obtine dintr-o cantitate de caldura.

Principiul al II-lea este si calitativ, deoarece se ocupa de calitatea energiilor, adica de posibilitatea unei transformari a lor in lucru mecanic util si arata ca aceasta transformare nu este integral posibila pentru caldura.

Acest principiu a fost descoperit de Carnot in 1824 si se enunta astfel:

Toate masinile termice care functioneaza intre aceleasi limite de temperatura au acelasi randament maxim, adica acelasi coeficient economic ideal.

Coeficientul economic ideal se mai numeste si randament si are urmatoarea expresie matematica:

h = 1 - T₂/T₁ sau h DT / T₁

unde: T₁ este sursa calda, T₂ este sursa rece iar DT este diferenta intre cele doua.

Randamentul unei masini termice este cu atat mai mare cu cat diferenta de temperatura dintre sursa calda si sursa rece este mai mare.

De aceea masinila cu abur moderne folosesc supraincalzirea aburului de la intrare si condensarea lui la iesire.

Principiul al II-lea al termodinamicii ne arata ca pentru ca o masina termica sa poata functiona este absolut nevoie de doua surse de caldura.

Prin urmare, in orice masina termica avem un rezervor de caldura, la temperatura mai inalta, care o cedeaza unui organ de transformare. Acesta retine si transforma o parte din ea si transmite restul spre exterior, la temperatura mai joasa. In aceasta masina, caldura trece in mod natural de la temperaturile mai ridicate la cele mai joase.

Masinile termice reale pot fi studiate pe baza ciclului Carnot.

Pentru o masina termica organul de transformare a caldurii in lucru mecanic este in speta cilindrul si pistonul care primeste o cantitate de vapori sau de gaz, la o presiune, un volum si o temperatura date si o destinde la presiunea si temperatura din exterior.

Pentru o masina cu vapori si pistoane, asa-zise alternative, gasim experimental urmatoarea curba parcursa in timpul unei miscari de dus si intros a pistonului;

in aceasta diagrama distingem doua faze:

In prima faza este parcursa portiunea de curba intre A si B. In timpul acesteia, vaporii se destind, cedeaza din caldura lor interna, misca pistonul si executa un lucru mecanic, proportional cu aria suprafetei A-B-B'-A'.

In faza a doua, masina absoarbe lucru mecanic din energia cinetica pentru a comprima vaporii ramasi in cilindru sau sa lupte impotriva celor care vin din cazan.

Ciclul se inchide si lucrul mecanic absorbit este proportional cu dublul ariei suprafetei hasurate.

Rezultatul final duce la un lucru mecanic util, deoarece faza a doua necesita mai putina energie decat s-a degajat in prima.

Motorul cu ardere interna

Un amestec de aer si de vapori de benzina sau de alti combustibili lichizi explodeaza atunci cand vine in contact cu o flacara iar forta de expansiune a gazelor formate prin ardere poate deveni forta motoare (lucru mecanic). Pe acest principiu se bazeaza diverse tipuri de motoare cu explozie.

Motorul termic cu explozie

Intr-un cilindru patrunde un piston, a carui coada este de obicei articulata pentru a genera miscare circulara:

Supapa S comunica cu un rezervor de benzina numit carburator, in care un curent de aer trece prin benzina si se incarca cu vapori. Supapa S' comunica cu exteriorul.

Cele doua supape sunt actionate de un dispozitiv care le misca potrivit la intervale de timp bine stabilite si care se numeste ax cu came.

Principiul de functionare este urmatorul:

Timpul I: Absorbtia. Presupunem pistonul in capatul de jos al cilindrului. Supapa S, numita supapa de admisie, este deschisa iar supapa S', numita supapa de evacuare, este inchisa. Cand pistonul se trage in cilindru, aspira amestecul exploziv de aer si benzina din carburator.

Timpul II: Compresia. Supapa de admisie se inchide si pistonul care intra in cilindru comprima continutul.

Timpul III: Aprinderea (ignitia). Pistonul a ajuns in capatul de sus al cilindrului. In acest moment, o scanteie electrica se produce in punctul B (bujie) si aprinde amestecul, facandu-l sa impinga pistonul in jos datorita cresterii bruste a volumului amestecului ce tocmai a explodat.

Timpul IV: Evacuarea. Pistonul a ajuns in capatul de jos al cilindrului. Supapa de evacuare S' se deschide iar pistonul, in virtutea impulsului capatat, se intoarce si evacueaza gazele de ardere prin S'.

Intregul ciclu poate fi reprezentat in urmatoarea diagrama:

Se poate observa cu usurinta ca ciclul de functionare al motorului cu ardere interna difera de cel al masinii cu vapori. La motorul cu explozie in patru timpi, descris anterior, gasim doua cicluri cuplate care sunt parcurse unul dupa celalalt, in sensuri contrare. Ele corespund celor patru timpi, respectiv miscarii pistonului, in intervalul dintre doua explozii consecutive.

Si in acest caz aria mare corespunde producerii lucrului mecanic util iar cea mica a lucrului mecanic consumat de masina in timpul functionarii.

Din analiza diagramei rezulta ca masinile termice parcurg un ciclu inchis prin care toti parametrii de stare sunt adusi in situatia initiala. Din analiza ariilor celor doua cicluri putem deduce randamentul acestor masini.

In continuare este prezentat un ciclu ideal de functionare a unei masini termice, comparandu-l cu cercul real descris anterior, pentru a imbunatati randamentul acestor masini. Ciclul ideal se numeste ciclul Carnot si are urmatoarea forma:

Asa dupa cum se vede, el descrie doua curbe izoterme pe portiunile A-B si C-D si doua curbe adiabatice pe portiunile B-C si D-A. Aceste transformari sunt in anumite conditii ideale si deci si o masina termica ce ar functiona dupa acest ciclu ar avea randamentul ideal:

h = (T₁ - T₂) / T₁

T₁ - temperatura de intrare

T₂ - temperatura de iesire

Pentru a se realiza acest randament, trecerea de la T1 la T2 trebuie sa se faca brusc, astfel ca vaporii sa nu intalneasca pe drum temperaturi intermediare iar transformarile sa fie perfect reversibile.

Masinile termice nu ating niciodata randamentul maxim ideal, fiind destul de departe de acesta.

Acestea sunt cateva randamente ale unor masini termice:

Masina cu abur simpla = 1,7%

Masina cu abur perfectionata = 16%

Turbinele cu vapori = 20%

Motorul de automobil = 31%

Motorul Diesel = 41%

In incheiere

Exista si alternative la motoarele termice (de exemplu motorul electric ce functioneaza pe baza de curent electric care este transformat in camp magnetic) si care prezinta si resurse practic inepuizabile dar datorita costurilor carburantilor si posibilitatilor de a-i inmagazina, motoarele termice au ramas mult timp cele mai des intalnite.

Cele mai clare exemple de motoare termice sunt motorul cu ardere interna pentru ca este si cel care se foloseste la automobile si motorul cu aburi folosit la locomotive in zone neelectrificate.

In zona noastra exista chiar Termocentrala Mintia care produce curent electric bazandu-se pe principiul motoarelor termice. Vaporii de apa sunt incalziti pana la temperaturi ce depasesc 100°C si apoi sunt eliberati cu presiune pe paletele unei turbine generatoare, producand lucru mecanic prin rotirea acesteia.